02 Jan 2023

Заводской брак в модуле для 3д-принтера BIGTREETECH UPS 24 v1.0

Все началось с того, что после получения модуля и разбора моего 3д-принтера, я осознал, что ошибся с выбором версии модуля и взял модуль на 24 вольта, вместо 12. Но ничего страшного подумал я, и решил разобраться как устроен модуль и как его можно переделать под 12 вольт. На этом этапе, я совершенно не подозревал о проблеме, которую обнаружил в дальнейшем.

Пруф покупки у BIGTREETECH Marvellous Store 30 ноября 2021 года.

Теоретический расчет и проблема

Отчасти проблема кроется ещё и в том, что в официальной инструкции не сказано как должен вести себя модуль при потере питания.

Поэтому давайте сразу оговорим поведение, как этот модуль должен работать исходя из его предназначения. По логике: при потере питания принтера, модуль должен подать сигнал контроллеру 3д-принтера о том, что питание пропало, и за счет энергии накопленной в ионистрах должен продолжить питать принтер какое-то короткое время. В это время контроллер 3д-принтера, должен остановить выполнение g-code инструкций, запомнить положение и команду на которой он остановился и отвести горячее сопло от модели, чтобы не испортить её после обесточивания.

Рассчитаем приблизительное время на сколько хватит этого модуля. Для этого примем 18 вольт как минимальное напряжение при котором принтер продолжит работать корректно. Соответственно, 18/9 это 2 вольта на ионистр. Исходя из ёмкости ионистров - 5 Фарад каждый и напряжением питания 2.7 Вольта – выходит в каждом хранится 5Ф * (2.7в - 2в) = 3.5кулон или [Ампер x секунд]. Умножаем на количество ионисторов в последовательной цепи => 3.5 * 9 ≈31.5 [Ампер x секунд]. Что при расходе принтера (примем среднюю экспериментальную оценку с сайта vektorus.ru в 120Вт), получаем потребление принтера 120Вт / 24В = 5А. Нам хватит этого заряда в ионистрах на 31.5 / 5 ≈6 секунд. Формула расчета.

Забегая вперед, сразу опишу проблему:

Ожидается срабатывание платы (подача сигнала контроллеру 3д-принтера) при потере питания принтера == небольшом падении напряжения в районе 24 вольт (за счет разрядки ионистров не будет резкой потери питания в цепи 24х вольт). Однако плата срабатывает только при 19 вольтах, и при таком напряжении, энергии в ионистрах уже мб не достаточно для совершения pre-recovery процедур. Особенно при использовании таких сильных потребителей как нагреваемый стол.

Произведем небольшой расчет: 5Ф * (19в-18в)/9ионистров = 0.56кулона, на ионистр, что хватит на 0.56кулона * 9ионистров / 5А ≈1секунду.

Мы приняли за допуск, что у нас питание стола с подогревом, взято с учетом только 50% времени, поэтому, фактически мы делаем допущение в сторону с лучшей ситуацией. Соответственно, при работающем столе, который питается от БП, заряда ионистров хватит меньше, чем на 1 секунду.

Схема устройства

Достаточно быстро я наткнулся на топик на сайте 3dtoday.ru. В котором изложена его схема (нумерация компонентов не совпадает, но в целом всё так).

Схему можно условно разделить на две отдельные:

схема с ионистрами позволяющими питать какое-то время принтер, когда напряжение питания пропало;
схема с компаратором по напряжению, сигнализирующая контроллеру принтера, что напряжение питания пропало.

Часть с ионистрами

Что касается первой части, то, каждый последовательный элемент содержит управляемый стабилитрон с напряжением открытия 2.5 вольта и делитель напряжения с коэффициентом 13.5, что как раз даёт в средней точке 2.5 вольта при питании 2.7 вольта. Соответственно управляемый стабилитрон откроется и не позволит зарядить ионистр больше 2.7 вольт. Соответственно, эта часть схемы может работать с любым входным напряжением: как меньшим, так и большим. Но она просто не зарядится больше чем 2.7 вольта * 9 ионисторов – итого 24.3 вольта.

Симуляция питания схемы с ионистрами напряжениями 24 и 12 вольт.

Часть с компаратором

Куда интереснее вторая часть схемы, давайте взглянем на неё более подробно и разберем её принцип работы. Условно можем разбить эту схему на составляющие части:

Линейный стабилизатор напряжения LM78M05 с шунтирующей обвязкой и защитным диодном (от случайной смены полярности)
Делитель входного напряжения
Компаратор LM393
Подтягивающий резистор на 10 КОм.

Про линейный стабилизатор думаю говорить особо нечего. Он понижает входное напряжение до 5 вольт. Разберем как работает компаратор.

Как работает компаратор?

И так возьмём некоторый компаратор и рассмотрим принцип его действия:

На графике видно, что когда напряжение на неинвертирующем входе (IN+) больше, чем на инвертирующем (IN-), на выходе компаратора (OUT) высокий логический уровень. Соответственно, в обратном случае – низкий логический уровень. Такую диаграмму работы приводят практически все материалы, что я находил в интернете, когда пытался разобраться как работает компаратор. Однако, на практике это не соответствуют действительности в одном не большом, но очень важном моменте.

А именно, что если IN+ > IN-, то OUT висит в воздухе. А если IN- > IN+, то OUT = напряжению земли компаратора (GND).

Соответственно, возвращаясь к нашей схеме выше, подтягивающий резистор на 10КОм нужен, для того, чтобы, когда напряжение питания принтера падает, и IN- становится меньше IN+, тогда OUT оказывается через подтягивающий резистор замкнут на 5 вольт и контроллер принтера получает высокий сигнал, что питание пропало.

Делитель напряжения

Давайте теперь сделаем акцент на то, когда должен сработать компаратор.

Сделаем расчет коэффициента делителя напряжения: (19.1KOm + 4.99KOm)/4.99KOm ≈ 4.83

Соответственно, при питании 24 вольта на инвертирующем входе 24V / 4.83 ≈ 4.97V.
А на неинвертирующем входе компаратора – опорное напряжение в 5 вольт от линейного стабилизатора

Следовательно ожидается, что мы чуть-чуть должны повысить напряжение питания принтера с 24 вольт на 0.5-1 вольт. И тогда на инвертирующем входе в нормальном состоянии будет напряжение немного больше, чем опорное. Таким образом нормальный сигнал от платы будет 0 вольт. А если напряжение падает ниже 24х вольт, на выходе будет 5 вольт.

Онлайн калькулятор делителя напряжения – hiser.guru.

И тут мы подошли к основной проблеме, с которой я столкнулся – это не работает.

Схема не работает

Тут происходило самое интересное, что я только не пробовал, всё указывало на то, что всё верно, но схема ведет себя некорректно. В итоге после сбора около 20 разных схем для проверки гипотез на макетных платах я выяснил в чём проблема, отсюда по порядку.

Проблему я заметил после смены резисторов в делителе напряжения на номиналы 5.1КОм и 3.6КОм. Таким образом на инвертирующем входе получается 5 вольт при напряжении питания 12.1 вольта. Однако, компаратор срабатывал в районе 9.5 вольт на входе модуля.

После я подумал что что-то недопонимаю, и вернув оригинальные резисторы, и протестировав на 24 вольтах, срабатывания тоже не происходило вовремя. Напряжение падало до 19 вольт и только тогда срабатывал компаратор.

Я измерил напряжение на IN-, в обоих случаях (при оригинальных резисторах и питании 24 вольта, а также при моих резисторах и питании 12 вольт) оно было около 3.95 вольта, когда компаратор срабатывал.

Тут я решил взять другой компаратор (взял LM339 из старого блока питания компьютера) и собрал схему уже на макетной плате с подстроечным резистором в качестве делителя напряжения. Я попробовал разные компараторы, шунтирующие конденсаторы в цепи питания компаратора, и много другого. Тут я пропущу кучу итераций и мыслей в течении года, тк я брался за эту задачу не раз.

На фото запечатлено напряжение в момент срабатывания компаратора LM339. При повторении схемы как на плате BTT UPS 24 v1.0.

В конце я решил попробовать запитать компаратор от источника питания применяемого в тесте напряжением 7 вольт. И всё заработало как ожидалось, компаратор срабатывал в районе 5 вольт на IN-. Однако, когда я переключал питания компаратора к стабилизатору на 5 вольт (эти же 5 вольт шли на IN+), компаратор продолжал срабатывать при 3.95 вольта, вместо 5 вольт.

Тут я подумал, что компаратору просто не хватает напряжения питания и полез в даташиты, чтобы убедиться, что я все правильно делаю. 3-36V – гласили все даташиты.

Для последнего эксперимента я взял регулируемый источник питания, и запитал компаратор отдельно от питания делителя напряжения. И оказалось, что с уменьшением напряжения питания компаратора уменьшался и верхний предел сравниваемых напряжений, как раз с разницей в ≈1.1 вольта.

И так, загадка крылась в устройстве компаратора.

Дело в том, что внутри компаратора находится дифференциальный каскад и для его работы требуется, чтобы напряжение работы компаратора было больше на 1.5-2 вольта, чем требуемое напряжение срабатывания.

Не будь в схеме компаратора защитных диодов - дифференциальный каскад просто сгорел бы при таком питании.

Далее я выпаял компаратор с платы, для того, чтобы воспроизвести тест на нём. Средняя фотография – напряжение в момент срабатывания компаратора при питании от стабилизатора в 5 вольт (как у на плате BTT UPS 24 v1.0). Фотография справа – напряжение в момент срабатывания компаратора от напряжения в 7 вольт.

Позже я все таки отыскал в даташите информацию с этим ограничением:

Для успокоения души я выпаял ещё пару операционных усилителей из старого ADSL роутера ST EZ714 и мультиметра LM358 и проверил на них.

Правда один ОУ я случайно сжег, забыв добавить в схему токоограничительный резистор перед светодиодом. В общем результаты повторились. И я могу смело утверждать, что здесь присутствует ошибка в схеме.

Выводы

Возникает резонный вопрос, почему никто массово не жалуется на этот модуль? Я полагаю для этого есть две причины:

Это сложное технической устройство, которое работает с еще более сложным техническим устройством – контроллером принтера. Далеко не все, кто его устанавливает, может разобраться в принципе и деталях его работы, а скорее просто строго следует инструкции. Здесь также играет роль, что в официальной инструкции отсутствует информация как должен вести себя модуль.
Второе и самое важное то, что ошибка в схеме не полностью исключает срабатывание модуля (как мы выяснили он срабатывает при 19 вольтах). Что, учитывая первую причину, пользователи могут списать это на плохое исполнение / брак. Или просто не заметить, если принтеру хватит энергии уже подразряженных ионистров, чтобы успеть исполнить pre-recovery процедуры (например, если нагревательный стол запитан не от блока питания, а через реле подключен к сети).

Как это починить, я вижу два пути:

Подбор такого делителя напряжения, чтобы на инвертирующем входе было напряжение в 3.95 вольта. Однако этот вариант мне не особо нравится, потому что тут мы полагаемся на имперически вычисленное напряжение некорректно запитанного компаратора.
Запитка компаратора от входного напряжения платы. Чтобы ничего не менять на плате, я предлагаю поднять 8 ногу от платы. Добавить диэлектрик под нее, и сверху поставить перемычку (проводок) к ножке входа стабилизатора LM78M05. В идеале можно также добавить шунтирующий конденсатор на 100нФ.

На днях поиграюсь с платой еще, мб найду какое-то более красивое решение проблемы.

Я написал продавцу спустя год, конечно, не ожидая возврата, а нормальной реакции – обратной связи и внесения изменений в плату. Сейчас продавец спросил, подходит ли мне возврат. Посмотрим чем это закончится.

Общение ничем не кончилось, продавец отказал в возврате, сославшись на истечение срока открытия спора.

Также хочу сделать оговорку, что я не профессиональный электронщик, а любитель. И во многом, что изложено в статье я разбирался впервые.