Ремонт радиоэлектронной техники
Ремонт радиоэлектронной техники
Руководство по устранению неисправностей и ремонту, часть 2 - Поиск неисправностей малогабаритных аудиосхем на основе ОУ.
Часть 1 - Устранение неполадок в усилителях мощности.
Введение
При условии, что Ваш предусилитель (или какое-то иное устройство) когда-то работал, устранение неполадок обычно является довольно простой задачей. Если он не заработал сразу же после сборки — значит, где-то допущена ошибка. Все схемы с сайта ESP известны, как работоспособные, а те, у которых есть печатная плата, имеют даже некоторую историю — до Вас их собрало много людей. Кроме того, я тестирую каждую новую плату, чтобы убедиться, что ошибок нет. Хотя в этой статье я использую термин «предусилитель», устройство может быть микшером, кроссовером, инфразвуковым фильтром или любой другой линейной (аудиопроцессорной) схемой. Некоторые другие схемы не являются линейными, поэтому многие из описываемых пунктов будут к ним неприменимы. Эта статья не охватывает нелинейные схемы!
Как и в случае усилителей мощности, почти все неисправности во вновь изготовленных устройствах являются результатом ошибок монтажа. Транзисторы, диоды или операционные усилители, возможно, были установлены задом наперед или имеется одно или несколько «сухих» («холодных») паяных соединений, либо перемычек из припоя. Другие распространенные проблемы включают неправильные значения резисторов и/или конденсаторов в одном или нескольких местах.
Другой очень распространенной проблемой является отсутствие подключения нулевой шины к источнику питания (заземления). Обычно есть три подключения от источника питания к предусилителю, кроссоверу или другой линейной схеме. Некоторые схемы могут использовать только один источник питания, в этом случае есть только два соединения — плюсовое напряжение питания и заземление.
Для тестирования нужен, как минимум, мультиметр. Очень полезен осциллограф, если он есть и еще должен быть источник тестового сигнала. Последним может быть CD-плеер, FM-радио, генератор розового шума или звуковой генератор. Найти неисправность без источника сигнала, как правило, невозможно, потому что нет возможности отслеживать сигнал по каскадам. Хорошей альтернативой осциллографу является трассировочный усилитель (описанный ниже).
Крайне полезно прочитать также Устранение неполадок — Часть 1 (Усилители мощности), поскольку тот раздел также содержит некоторую информацию, относящуюся к схемам предусилителей. Это особенно важно при описании шумов — для получения помощи от кого-либо нужно знать, как правильно описывать шум. Звучит, возможно, и глупо, но люди, как правило, очень раздражаются, когда отвечают на кучу вопросов, основанных на описании шума, только чтобы потом выяснить, что исходное описание было неверным.
Для диагностики неисправностей я рекомендую использовать осциллограф. Можно также использовать программное обеспечение, использующее звуковую карту ПК, но только в простых случаях. Существует много внешних осциллографических интерфейсов, но в долгосрочной перспективе они не могут заменить реальный прибор. Осциллографы я использовал с самого начала работы в электронике и убедился, что не существует лучшего способа решения проблем во всем: источники питания, предусилители, усилители мощности и т.д. Они недорогие и дополнительные возможности, которые они обеспечивают, многократно перекрывают их стоимость.
1 Начальное тестирование
Первым тестом (всегда!) является проверка напряжения(-й) питания. Сначала измерьте выходное напряжение на клеммах самого источника питания. В случае двуполярного питания обе полярности должны быть равны и обычно составляют ± 15 В для большинства проектов ESP. Точное значение напряжения не имеет значения — разница между плюсовым и минусовым напряжениями даже в один вольт или около того, обычно нормальна.
Для любого источника питания, имеющего подстроечные резисторы, установите выходные напряжения на рекомендуемые значения. Большинство стабилизаторов имеют фиксированные выходные напряжения и не имеют возможности подстройки. Если одно напряжение питания значительно отличается от другого, перед продолжением необходимо сначала отремонтировать источник питания. Некоторые источники питания (например, используемые для гитарного предусилителя P27B) используют стабилитроны и балластные резисторы от основного источника питания. Его также нужно проверить — причиной могут явиться «сухие» («холодные») паяные соединения или неисправные стабилитроны.
Как только будет установлено, что источник питания работает правильно, можно продолжить проверять саму схему. Упущение проверки в первую очередь источника питания очень распространено и может привести к большому разочарованию, особенно, если в конце концов выяснится, что с самого начала виноват был источник питания.
2 Тестирование схемы
Подключите черный щуп тестера к подходящей точке заземления на печатной плате (можно использовать контакт заземления входа, выхода или питания). Проверьте напряжения питания положительной и отрицательной полярности — они должны быть близки к ± 15 В (или к тому напряжению, какое источник питания должен обеспечить). Если заземление не подключено, Вы можете обнаружить, что питающие напряжения не равны. Вы даже можете получить ситуацию, когда напряжение положительной полярности (к примеру) составляет всего 2 вольта, а отрицательной — 28 В. Это верный признак того, что у Вас отключена нулевая шина питания или неисправен сам блок питания. Проверьте напряжение на выходе блока питания (снова). Если при этом измеряются правильные напряжения, а предусилитель не работает, то земля отсутствует или оборвана.
После того, как Вы убедились, что напряжения питания правильные, проверьте, не нагреваются ли операционные усилители. Как только Вы удостоверитесь, что нет проблем с питанием, осциллограф и генератор звука становятся Вашими самыми лучшими друзьями. Поиск неисправностей можно производить и только с помощью тестера, но это намного более трудоемко.
Примечание.
Предполагается, что до этого пункта все начальные измерения проводились с защитными резисторами, установленными между источником питания и предусилителем и что схема питается от напряжений ± 15 В. Если используется другие напряжения питания, большинство пунктов остаются по-прежнему применимы, но если схема использует только одно напряжение питания, ссылка на «общую шину» (или «заземление») не применяется.
Затем убедитесь, что на всех выводах выходов ОУ присутствует нулевое напряжение. Хотя большинство схем будут работать даже с несколькими вольтами на выходе, это ненормально и следует найти причину этого. Любые выходы, напряжение на которых не близко к нулю, свидетельствуют о дефекте либо тестируемого каскада, либо предыдущего. Вернитесь с выхода на вход, пока не найдете каскад, где напряжение нормальное.
Если обнаружен операционный усилитель с аномальным выходным напряжением, проверьте также его входы. ОУ прекрасно усиливают постоянное напряжение, так же хорошо, как и переменное, поэтому ошибочное напряжение на выходе может быть просто результатом поступления на его вход постоянного напряжения. В рабочей линейной цепи на ОУ на двух входах должно быть одинаковое напряжение, но схема с высоким сопротивлением может легко обмануть.
На Рис. 1 показан пример эквивалентной схемы операционного усилителя с оборванным входным резистором из-за плохого паяного соединения. Для неинвертирующего входа единственным референтным напряжением является сопротивление утечки по самой печатной плате, которое будет очень высоким — это показано как Rp1, Rp2 (паразитное сопротивление). В этом примере при измерении выходного напряжения Вы видите 10,4 В постоянного напряжения. На контакте 2 Вы также замерите 945 мВ. Затем измеряете напряжение на контакте 3, который должен иметь то же напряжение, что и контакт 2, потому что это линейная схема.
Проблема заключается в том, что как только был подключен тестер, вход приобрел возврат на заземление и выходное напряжение устремилось к нормальному нулевому значению. Но Вы этого не увидите, поскольку к выходу тестер больше не подключен. Поэтому напряжение, измеренное на неинвертирующем входе, является нормальным, несмотря на то, что какое-то напряжение присутствует на выходе (оно может изменяться со временем). При подключении щупа ко входному выводу, входной конденсатор заряжается (или разряжается) и это в течение некоторого времени заставит схему выглядеть нормально. Если у Вас возникла эта проблема, то она обычно проявляет себя как наличие постоянного напряжение на выходе, которое медленно изменяется в плюс или в минус, в зависимости от типа операционного усилителя.
На самом деле в схеме, основанной на операционных усилителях, очень мало что может пойти не так. ОУ обычно или работают, или нет — неустойчивые состояния возникать могут, но они очень необычны. Можно предположить, что неисправными могут быть и новые операционные усилители и, хотя это, безусловно, возможно, но встречается крайне редко. На протяжении многих лет я создал сотни схем на ОУ и за все это время видел только несколько новых устройств, не работавших с самого начала.
Почти все неисправности с новой схемой, основанной на операционных усилителях, будут являться результатом ошибок монтажа. Легко ошибаться, используя плату прототипа, но такое намного менее вероятно с готовой печатной платой. Тем не менее, неправильное размещение резисторов или конденсаторов может иметь очень неожиданные результаты.
2.1 Индикаторный усилитель
Техника трассировки сигналов идеально подходит для схем на ОУ, особенно там, где есть несколько каскадов. Идеальный измеритель сигнала — это осциллограф, но его стоимость для любителей может не оправдаться. Это предположение может быть и не столь существенным — один местный поставщик электроники в Австралии продает базовый CRO осциллограф (с электронно-лучевой трубкой) менее чем за 130 долларов США. Подобные цены должны быть доступны и там, где Вы живете — их всегда стоит проверить. Катодный осциллограф — настолько полезный инструмент, что Вы быстро зададите себе вопрос, как вообще раньше выживали без него.
Предполагая, что осциллограф недоступен, Вам нужен небольшой усилитель мощности с подходящим динамиком — порядка пары ватт. Я не рекомендую наушники, т.к. Вы можете зондировать точку с высоким уровнем сигнала и подвергать слух риску повреждения.
Индикаторный усилитель требует большого усиления и важное значение имеет регулировка усиления (или громкости). Он должен также иметь высокий входной импеданс, чтобы не нагружал тестируемую цепь. Ничего необычного не требуется, хотя идеальным является высокоимпедансный буферизированный вход, за которым следует небольшой микросхемный усилитель мощности. Приведенная ниже схема основана на Проекте № 164, поэтому гляньте страницу этого проекта для получения дополнительной информации.
Подходящая схема показана выше. Она заменяет показанную первоначально, ее легче собрать и, вероятно, дешевле. Входной буфер на полевом транзисторе с PN-переходом (JFET) обеспечивает высокий входной импеданс, а микросхему усилителя LM386 можно использовать для управления небольшим громкоговорителем или наушниками. Если предложенный полевой транзистор недоступен, вместо него будут работать большинство других подобных, но может потребоваться изменить значение R3 (2,2 кОм), чтобы получить соответствующее напряжение на его истоке. Идеальная чувствительность будет при напряжении около 4 В, но обычно достаточно больше 1,5 В.
Схема будет достаточно эффективно раскачивать 8-омный динамик. Не сочтите, что показанная схема может быть использована для маломощного Hi-Fi — LM386 не является высококачественным усилителем. Не стесняйтесь использовать «настоящий» усилитель мощности (дискретный или интегральный), если это заставит Вас почувствовать себя лучше, но обычно не требуется больше, чем около 100 милливатт.
Максимальное усиление довольно высокое. В первом каскаде нет усиления, но LM386 можно переключать между коэффициентами усиления 20 и 200. Схема будет шумной, собирающей помехи и, как правило, довольно ужасной по качеству, но идеально подходит для простой задачи трассировки сигнала. При максимальном усилении частотная характеристика также довольно ограничена, но это не имеет значения. Все это для того, чтобы обеспечить отслеживание сигнала через схему и Вы сможете услышать все, происходящее в каждой точке на этом пути.
Если трассировщик никогда не будет использоваться с ламповыми усилителями, в качестве C1 может использоваться конденсатор с меньшим рабочим напряжением. Назначением R1, D1 и D2 является гарантия того, что переходные сигналы не повредят вход операционного усилителя, если подключить трассировщик к точке с высоким напряжением. Даже если Вы никогда не работаете с лампами, я все равно рекомендую поставить эти диоды. На каком-то этапе Вы, возможно, захотите услышать пульсацию питания усилителя мощности (например). Если Вы намерены исследовать ламповые усилители, я предлагаю использовать входной аттенюатор x 10 для осциллографа. Фактически, идеально использовать переключаемый щуп (x 1 – x 10) для осциллографа, а в качестве входного разъема идеально подойдет BNC.
Для тестирования исследуемого устройства можно использовать простой синусоидальный генератор, или же выход со звуковой карты ПК, проигрывателя компакт-дисков и т.д. Если Вы тестируете кроссоверную схему, необходимо использовать широкополосный шум (идеальным является розовый шум) или полный музыкальный сигнал. Если Вы используете одну частоту, то не сможете услышать, правильно ли работают фильтры, а если частота тестового сигнала слишком далека от частоты разделения кроссовера, Вы вообще ничего не услышите.
Чтобы использовать трассировщик сигналов, просто подайте свой тестовый сигнал на вход (-ы) и пройдитесь по каскадам от входа (прямо от источника сигнала) до выхода. Когда Вы найдете точку, где сигнал исчезает — значит, обнаружено главное место локализации дефекта. После этого Вы знаете, где сосредоточить свои усилия.
Индикаторный усилитель имеет большой коэффициент усиления, поэтому всегда начинайте с минимального усиления и повышайте его, пока не услышите сигнал. По мере прохождения через схему сигнал будет становиться громче (для предусилителя), или Вы услышите эффекты фильтров (для кроссоверных цепей или эквалайзеров). Вы можете проверить, как работают регуляторы громкости и что каждый активный каскад проводит сигнал.
Если у Вас есть осциллограф, используется точно такой же метод, за исключением того, что Вы смотрите на сигнал, а не слушаете его. Поскольку осциллограф не шумит, можно не беспокоиться о сигнале высокого уровня, создающем сильный шум.
В качестве альтернативы любому из перечисленных выше методов можно использовать милливольтметр переменного тока или даже цифровой мультиметр, включенный на измерение переменного напряжения. Эти методы не очень-то информативны — просто показания напряжения, без никакого уточнения, на что похож измеряемый сигнал. Дешевые цифровые мультиметры имеют, кроме того, ограниченный частотный диапазон и в большинство из них на входе нет разделительного конденсатора, поэтому все, что Вы измеряете, может даже быть постоянным напряжением.
Выше на рис. 3 Вы можете увидеть общий принцип трассировки для предусилителя — в данном случае, для Проекта № 88. Хотя я показал напряжения, измеренные в каждой точке, Вы не будете знать фактического напряжения, если не используете осциллограф или милливольтметр переменного тока. Нет никакой причины, запрещающей использовать одновременно милливольтметр и индикаторный усилитель. Предполагается, что входной сигнал — синусоидальный.
Рассмотрим затем Проект № 09 кроссовера. В данном случае я вновь применил синусоидальный сигнал, точно установленный на частоту разделения кроссовера. Показан уровень сигналов в каждой точке, но, конечно же, можно не увидеть (или услышать) точно то же самое из-за отклонения частоты сигнала и т.д. Поскольку фильтры очень крутые, обычно лучше использовать сигнал полного диапазона, чтобы что-либо услышать (или увидеть), независимо от частоты кроссовера. Помните, что уровень низкочастотного сигнала по-прежнему будет очень низким, если частота кроссовера установлена ниже 50 Гц а используемый аудиосигнал не имеет существенного глубокого баса (который динамик индикаторного усилителя неспособен хорошо воспроизвести, если вообще может).
Если для тестирования используется синусоидальный сигнал, помните, что наклон фильтров P09 равен 24 дБ/октаву, поэтому даже небольшое изменение частоты синусоиды приведет к большим изменениям уровней переменного напряжения. Возможно, потребуется прокрутить частоту выше и ниже частоты раздела кроссовера, чтобы убедиться, что обе секции работают правильно.
3 Короткие замыкания
Если напряжение питания неверны, неисправность может быть связана либо с платой, либо с блоком питания. Вначале следует проверить блок питания! В нормальных условиях вначале нужно примерно оценить ток, потребляемый (неисправной?) платой. Эта информация может либо быть, либо не быть доступной и зависит от компонентов, размещенных на плате. Некоторые операционные усилители, логические микросхемы и т.п. потребляют гораздо больший ток, чем другие. Часто мощность источника питания можно оценить приблизительно. Большие радиаторы и мощные компоненты блока питания указывают на высокий ток потребления, тогда как компоненты в корпусе TO220, но с небольшим (или отсутствующим) радиатором означают, что ток БП довольно низкий (вероятно, менее 200 мА). Подключите к источнику питания соответствующую нагрузку на основании изложенной выше оценки и убедитесь, что напряжение остается стабильным.
Хотя в схемами на операционных усилителях короткозамкнутые шины питания обычно не встречаются, но произойти такое всё-таки может. Проблема заключается в том, чтобы точно выяснить, какой именно компонент вызвал короткое замыкание. Если для массового шунтирования шин питания используются танталовые конденсаторы (т.е. шунтируется вся плата, а не отдельные микросхемы), то они должны быть осмотрены в первую очередь. Как сейчас узнают регулярные читатели, я действительно не люблю танталы — они являются одним из наименее надежных, когда-либо созданных компонентов. Ищите маленькие отверстия в корпусе или любые другие признаки бедствия. Сделайте то же самое с операционными усилителями — если блок питания способен выдать достаточный ток, можно увидеть небольшие признаки неисправностей на короткозамкнутом устройстве. Маленькие вздутия в корпусе или треснувший корпус способны раскрыть тайну неисправности, но так Вам повезет не всегда.
Попытка найти короткое замыкание тестером в режиме измерения Омов, как правило, бессмысленна, если у Вас нет прибора с разрешением мОм или мкОм. Лучше всего использовать источник питания, который может на короткое время обеспечить питание без повреждения силой 1…2 А — при этом для ограничения силы тока может потребоваться подключить резистор около 4,7 Ом, рассчитанный на 10 Вт или более. Осторожно подайте питание на плату — дорожки питания на некоторых платах не рассчитаны на большой ток и Вы не хотите нанести бо́льший ущерб, чем тот, что уже есть. Поврежденные дорожки можно исправить, но они никогда не будут выглядеть так же хорошо, как были раньше.
При токе около 1…2 А неисправная часть должна начать нагреваться. Сопротивления силиконовых и жгутированных проводов достаточно, чтобы начать выделять какое-то тепло, которое можно почувствовать либо пальцем (при относительно низком токе — возможно, 500 мА или около того), либо неисправная часть начнет дымиться при токе большей силы. Проблемный компонент, после его нахождения, теперь можно заменить.
Очень важно, чтобы внешнее напряжение питания с «большой силой тока» не превышало максимального номинального напряжения используемых операционных усилителей (или других компонентов). В некоторых случаях тест на дым приведет к тому, что в неисправном устройстве возникнет обрыв (например, посредством встроенного предохранителя), а если внешнее напряжение слишком велико, могут повредиться другие детали. Смысл заключается в том, чтобы найти и исправить исходный дефект, а не создавать новые.
В некоторых случаях последней надеждой может стать перерезка дорожек. Если дорожка перерезается острым ножом, то каждый раз можно изолировать половину цепи, пока не будет обнаружена неисправность. Разделите плату первым разрезом пополам — на одной половине будет короткое замыкание, а другая должна быть нормальной. Разделяя половину с коротким замыканием каждый раз напополам, Вы найдете К.З. на печатной плате с 12 активными компонентами (операционными усилителями, логическими микросхемами и т.д.) В общей сложности нужно 3 или 4 разреза.
Восстановить дорожки достаточно просто — всего лишь разгладьте кромки разреза маленькой отверткой или аналогичным инструментом и пропаяйте по разрезу. Если тщательно выполнить эту операцию, то дорожка будет такой же надежной, как и исходная. Если дорожки платы покрыты припоем, он в месте разреза должен быть удален путем осторожной зачистки лезвием бритвы. При необходимости после завершения ремонта дорожки можно использовать лак для ногтей или аналогичный материал.
4 Основные моменты
Идея этой статьи заключается в том, чтобы предоставить указания, которые помогли бы найти неисправность. Из-за большого разнообразия ошибок сборки схем невозможно продемонстрировать каждую из них. Однако, понимая принципы, не составит труда работать с какой-либо аналогичной схемой.
Если следовать этим указаниям, то не составит труда выяснить, что же не так с почти любой схемой. В первое время некоторые из них не будут иметь смысла, пока Вы не привыкнете к тому, что нужно искать и что ожидаете найти.Всегда помните, что вначале следует проверить источник питания. Даже опытные специалисты допускали промашку, пытаясь найти, почему схема работает не так, как должна, только чтобы (в конце концов) выявить, что неверны напряжения питания или одно из них отсутствует вообще.
Убедитесь, что неверные или отсутствующие напряжения питания вызваны печатной платой или источником питания. Если без подключенной печатной платы и с подходящим нагрузочным резистором питание в порядке, но исчезает, когда плата подключена, значит, неисправна плата.
Подайте на вход сигнал и проследите его по схеме, по одному каскаду за раз. Убедитесь, что регуляторы громкость (и т.д.) установлены на максимум. Убедитесь, что Ваш сигнал вообще подходит для тестируемой схемы — с помощью синусоидального генератора искать неисправности в кроссовере бессмысленно (к примеру).
Используйте принципиальную схему и логически следуйте за сигналом. Не тыкайтесь в схему случайным образом, т.к. получите только случайные ответы, которые ничего не означают.
Как только Вы несколько раз воспользуетесь этой методикой, то привыкнете к этому процессу и будете развивать «чувство» того, что ожидаете увидеть. Не ждите, пока у Вас возникнет ошибка — используйте методы, описанные в известных рабочих схемах.
Никогда не забывайте, что если устройство имеет два канала и один — рабочий, то это — отличный способ сравнить напряжения и уровни сигналов. При этом весь процесс может оказаться почти полностью безболезненным.
5 Замена деталей
Извлечение деталей из печатной платы может быть затруднено и, если Вы не имеете достаточного опыта и хорошего припоя, то рискуете повредить плату. В общем случае, как только Вы достаточно убедитесь, что компонент имеет либо неправильный номинал, либо неисправен, сначала откусите выводы/контакты. Затем используйте паяльный отсос (или оплетку), чтобы удалить припой из места пайки. Вырезанные выводы должны выпадать — не пытайтесь вытащить их из платы или через плату! Это почти гарантия того, что печатная плата будет повреждена.
Во многих конденсаторах, как правило, невозможно добраться до контактов, чтобы их отрезать, поэтому необходима особая осторожность. При необходимости используйте паяльный отсос и/или оплетку, чтобы убедиться, что конденсатор можно снять, не оторвав контактную площадку. Можно обрезать вывод и припой максимально близко к самой площадке с помощью очень острых бокорезов. Если так сделать аккуратно, то припоя почти не остается и конденсатор должен извлечься без повреждения печатной платы.
Печатные дорожки и контактные площадки могут до отслаивания выдержать только определенное количество тепла и усилия отрыва, поэтому всегда используйте паяльник с регулируемой температурой. Он недешев, но если будет достаточно хорошего качества, то прослужит много лет. Контроль температуры необходим для предотвращения перегрева как компонентов, так и печатной платы. Для нормальной работы температура должна быть установлена не выше 325°C. Если абсолютно необходимо использовать бессвинцовый припой (самый отвратительный материал, который только существует), то нужно будет увеличить температуру до минимум 350°C — мои соболезнования всем пострадавшим в Европе.
Перед пайкой нового компонента убедитесь, что он правильно ориентирован (для устройств, критичных к полярности). Если используется бессвинцовый припой (другого в Европе не достать), убедитесь, что проводники компонентов чистые и блестящие — бессвинцовый припой — довольно бесполезный материал и неспособен прилипать даже к слегка окисленной поверхности. Если выводы загрязнены, очистите их тонкой стальной губкой, но убедитесь, что её нитки не попали на печатную плату, чтобы вызвать дополнительные проблемы.
Выводы
Ключом к диагностике является практика. Чем больше схем Вы тестируете (работает или нет), тем больше знаний Вы получите о том, как работают операционные усилители в аудиосхемах. По мере того, как Вы продолжите практиковать и тестировать все, что сможете, то быстро узнаете о структурах усиления, о том, что делают отдельные каскады и (вместе со схемой и описанием), как они это делают.
Худший подход заключается в том, чтобы заистерить и начать удалять компоненты случайным (или полуслучайным) образом. Вы ничего не узнаете и это, как правило, приведет к разрушению печатной платы. Дорожки и контактные площадки на любой монтажной плате могут выдержать определенное количество тепла и движения до момента разрушения клея и отслоения дорожки или просто отрыва контактной площадки.
Применив дисциплинированный и логичный подход, Вы получите лучший результат с меньшим ущербом — как для печатной платы, так и для своей самооценки.
Источник: sound.whsites.net.
Автор: Rod Elliott (ESP), © 2006/
