Техносфера - Обнаружение неисправностей в аналоговых схемах

Содержание

Введение: философия поиска неисправностей

Выбор необходимого оборудования

Неисправности на уровне компонентов. Резисторы и катушки индуктивности

Неисправности на уровне компонентов. Проблемы с конденсаторами

Защитные материалы. Неисправности сборки и монтажа. Неисправности в печатные платах, разъемах, реле и переключателях

Неисправности схем из-за проблем с диодами

Обнаружение и предотвращение неисправностей транзисторов

Неисправности операционных усилителей

Подавление паразитных колебаний

10.

На границе между аналоговой и цифровой электроникой

11.

Опорное напряжение. Неисправности в регуляторах

12.

Неустойчивые неисправности

13.

Примеры обращений к автору с вопросами о неисправностях

14.

Примеры реальных схем и неисправностей в них

Приложения

А. Операционные усилители с нестандартными выводами

B. Подавление шумов в трехвыводных регуляторах

C. Тестирование смещения напряжения в быстродействующих компараторах

D. Как правильно читать технические условия

Е. Возможности SPICE

1. Введение: философия обнаружения неисправностей
Эта книга предназначена для инженеров, которые проектируют или обслуживают все виды электронных схем и систем, — как аналоговых, так и цифровых. А также для всех, кто интересуется компьютерами, микропроцессорами, программным обеспечением.
Данная глава — самая важная в этой книге. В ней ключ к эффективности обнаружения неисправностей в электронных схемах и правильному пониманию проблемы. В последующих главах будут подробно освещены способы обнаружения неисправностей в пассивных и активных компонентах схемы, в печатных платах и межсоединениях. В этой книге будут подробно описаны конкретные примеры ошибок и способы их предотвращения, будут перечислены все наиболее опасные ситуации, которые могут возникнуть, а также все возможные отказы и методы их устранения.
В основе эффективности обнаружения неисправностей лежит правильная философия
Как известно, основополагающая дисциплина всех наук — философия. А основы искусства поиска неисправностей, его философия, представлены в этой главе.
Почему важно знать основы обнаружения неисправностей? Потому что даже самые лучшие инженеры, которые осуществляют тот или иной проект, всегда сталкиваются с тем, что схема работает не так как надо хотя бы первое время. Например, имеются данные от производителей дисководов: от 20 % до 70 % этих устройств первоначально работают с ошибками. Зафиксированы разные показатели правильной работы схемы при первоначальном ее включении — от 1 % до 100 %, но следует ориентироваться на среднее число возможных отказов — от 20 % до 60 %. Поэтому производители обычно планируют выпуск трехкратного от требуемого количества электронных узлов. Наиболее трудные неисправности встречаются в новых устройствах, которые еще не применялись в электронной технике. Такой же уровень неисправностей встречается в новых устройствах, состоящих из давно применяемых узлов. Неисправность трудно определить, даже если есть подробное описание схемы. Нереально надеяться, что в новой электронной схеме не будет отказов. Необходимо быть готовым определить отказ в любое время. Нельзя надеяться, что этого удастся избежать. Как гласит закон Мэрфи, если Вы уверены, что схема заработает, то она работать не будет.
Допустим, есть партия электронных схем, в которых необходимо обнаружить неисправности. Возникает закономерный вопрос: что нужно прочесть, чтобы правильно производить поиск отказа? Ответ очень простой: все, что написано о данной схеме. Однако, как правило, в этих описаниях оказывается не вся информация.
Знаете ли Вы, как неисправный компонент повлияет на работу той или иной электронной схемы? Какие отказы наиболее часто встречаются в той или иной схеме? Эти аспекты будут подробно описаны в последующих главах.
При обнаружении неисправностей очень важно правильно выбрать тестирующее оборудование. Детально эта проблема будет освещена в следующей главе. А сейчас следует упомянуть, что в этой сфере существует широкий спектр аппаратуры, — от простых дешевых тестеров, с помощью которых можно определить только короткое замыкание, до дорогой аппаратуры со сложным программным обеспечением. Чаще всего для поиска неисправностей используют осциллографы.
А главным инструментом обнаружения неисправностей является Ваша сообразительность, которая к тому же всегда под рукой. Как пользоваться этим уникальным инструментом? Здесь нужна своя философия. Как утверждает известный специалист в этой сфере Юрий Досталь, в этой работе лучше защищаться, чем бороться. Когда усилия по обнаружению неисправности носят характер борьбы с неизвестным оппонентом (компонентом), это неправильный подход к проблеме. Корректная тактика обнаружения неисправностей подробно описана в этой главе.
Первое, что необходимо сделать при поиске неисправности, — это определить и записать все, что может вызвать такой отказ. На заре инженерного бума разработчики паровых двигателей подробно описывали все причины, которые могли вызвать ту или иную неисправность. Для каждого нового двигателя в описания возможных отказов и методов их устранения вносились изменения. Даже для каждой модификации одного и того же двигателя эти инструкции отличались, что, конечно, помогало решить все проблемы. К сожалению, эта традиция в последующем была нарушена.
Обнаружение неисправностей всегда характеризуется двумя параметрами: у каждого отказа есть своя хитрость, и к каждому нужен свой ключ. Но у каждой неисправности есть конкретная предпосылка, следовательно, она и в другой схеме может привести к отказу. Не смотря на то, что в этой предпосылке фактически нет смысла, она является основным фактором неисправности, его причиной.

Кто может дать хороший совет
Некоторые думают, что хороший совет можно получить только у экспертов. Они знают, как решить трудную проблему. Автор считает, что это неверно. Иногда основной причиной трудностит проблемы является то, что Вы слишком хорошо знаете схему, которая не хочет работать. Спросите кого-нибудь из коллег, не знакомого с ней, и Вы наверняка получите правильную подсказку. И проблема будет решена. Часто такую подсказку легче получить у техника, нежели у авторитетного инженера. Обычно эта догадка является счастливой случайностью. А есть феномены, которые могут решить любую самую хитрую проблему, понять причину отказа. Такие друзья дороже золота. Автору повезло работать в коллективе таких людей. Мы практически никогда не можем точно сказать, кто же конкретно определил причину отказа, кто нашел ошибку.
Что нужно сначала определить для понимания причины отказа
Прежде чем приступить к поиску неисправностей в очередной схеме, нужно сначала найти четкие ответы четыре основных вопроса:
1. Работала ли эта схема когда-нибудь правильно?
2. Что указывает на то, что она работает неправильно?
3. Когда она стала плохо работать или перестала работать?
4. Что происходило со схемой до этого момента, после этого момента и непосредственно в момент отказа?
Ответы на эти вопросы должны быть как можно более точными и подробными.
Ответы на вопросы записываем!
После того, как получили ответы на эти вопросы, их нужно обязательно зафиксировать, — записать в рабочий журнал. Далее найденные решения при каждом отказе также фиксируются в рабочем журнале. В последствии их нужно регулярно перечитывать. Такие записи помогают сэкономить много рабочего времени при поиске неисправностей в других схемах.
Как правило, только этими четырьмя вопросами инженеры не ограничиваются. Из полученных ответов возникают другие вопросы. Например, инженеры-новички часто подходят ко мне с партией интегральных схем, которые по некоторым параметрам дают плохие результаты тестов. Я обычно спрашиваю, каковы результаты других тестов, и слышу, что никто из них не продолжал тестирование интегральных схем после обнаружения одной ошибки. Более опытные инженеры проводят полную проверку компонентов, и это совершенно правильно. Что я советую новичкам и сделать. Поэтому, если Вы будете консультироваться у кого-нибудь по поводу какой-нибудь неисправности, соберите максимально возможное количество фактов о проблеме, чтобы получить нужный ответ. В таких случаях мне хватает одной минуты, чтобы подсказать инженеру решение. Никто не поможет Вам обнаружить неисправность, если Вы не уверены, запускается ли схема от + 12 В или от ± 12 В, или начинаете говорить о несовместимых вещах.

Методологический и логический планы обнаружения неисправности
Даже если зафиксирована неисправность в резисторном делителе напряжения, советую Вам всегда составлять подробный план ее поиска. Допустим, у Вас есть цепь последовательно соединенных резисторов по 129 кОм (см. рис.1.2). Если приложить + 5 В к верхней клемме, а 0 В к нижней, то в середине цепи Вы уверенно ожидаете около + 2,5 В. А если Вы наблюдаете там 0 В, то начинаете поиск неисправности, проверяя напряжение последовательно на каждом резисторе с самого начала цепи. Эта стратегия абсурдна! Проверь напряжение, например, на резисторе, который находится посередине от начала цепи до середины всей цепи. В зависимости от результата измерения, продолжайте поиск неисправного резистора по алгоритму деления на 2 неисправного отрезка цепи. Такая стратегия более эффективна. В такой длинной цепи за 7 шагов измерений можно определить сгоревший резистор или короткое замыкание на землю. При первоначально описанной неправильной стратегии Вам пришлось бы сделать 64 измерения.

Рис. 1.2
Рис.1.1. Схема из последовательно соединенных резисторов. Если в центральной точке не 2,5 В, а, допустим, 0 В, как Вы будете искать неисправность? Как Вы определите короткое замыкание или разрыв цепи?
+ 5 В MID….середина цепи NOTE…..все резисторы имеют номинал 1 кОм

Допустим, есть схема на основе операционного усилителя, собранная на макетной плате, и она не работает. Чаще всего можно нормально проверить операционный усилитель, резисторы и индуктивности. Но не возможно проверить конденсатор, не вынув его из макетной платы. Однако, если выходное напряжение операционного усилителя не соответствует указанному на несколько милливольт, резисторы тоже не возможно проверить. Бывает, что вообще не возможно ничего проверить в схеме, пока не изучится выходной сигнал с помощью осциллографа. Таким образом, о любой неисправной схеме необходимо собирать как можно больше данных, пока не найдется решение проблемы.
Поэтому сначала формулируем предположение о неисправности, а затем проводим проверку или серию проверок, которые помогут ее определить. И, может быть, предположение подтвердится. Все эти тесты должны быть, конечно, выполнимыми. Но можно определить необходимый тест, а он окажется невыполнимым или очень трудным для исполнения. Таким образом, возникает логическое заключение: если тест и удастся произвести, он ведь даст либо положительный, либо отрицательный результат. И вполне возможно понадобятся другие тесты, чтобы найти неисправность.
Например, в процессе поиска неисправности возникла необходимость прозондировать первый металлический слой интегральной схемы, в которой два металлических слоя. Но вместо этого можно сделать серию других тестов. Естественно, опытный инженер выберет второй вариант, — лучше избегать трудновыполнимых или почти невыполнимых тестов.
Конечно, иногда текущий результат теста дает совершенно невероятный ответ, отличный от того, который ожидался. Это заставляет обдумывать проблему сначала, искать ошибку в предположениях. Или измерения были выполнены некорректно? Или первоначальные данные были ошибочными. Вот почему обнаружение неисправностей – очень интересное дело, — никогда не бывает скучно.
С другой стороны, кажется, что глупо планировать подробно все тестирование, так как часто, сделав по плану все операции проверки, убеждаешься, — они оказались ненужными. Это инженеры называют «паралич анализа». Но планирование позволяет провести сложное тестирование очень интенсивно; у автора обычно планирование и само тестирование занимает равное количество времени. И, если положительного результата не получается, составляется новый план, — как правило, подходящий и более подробный.

Помните о законе Мэрфи
Даже если Вы самый лучший инженер-электронщик, в Вашей работе всегда следует руководствоваться законом Мэрфи: «Если что-нибудь может выйти из строя, оно сломается обязательно». В своей работе автор постоянно убеждался в справедливости этого закона. При проектировании схемы рекомендуется не применять такие решения, при которых Вы не уверены, как будет работать схема. При проектировании печатных плат необходимо межслойные соединения делать как можно проще, область для резисторов и конденсаторов делать шире на случай необходимой модификации их номиналов, при проектировании интегральных схем не делать маленьких контактных площадок в стратегических точках на поверхности кристалла, чтобы была возможность легко проверить металлические слои. Таким образом, уже на стадии проектирования необходимо минимизировать проблемы по поиску неисправностей. В этом польза знания закона Мэрфи.
Отказы в проблемных зонах схем
За многие годы работы с электронными схемами автор постоянно сталкивался с проблемами в их энергетически-запрещенных зонах. Поэтому, чтобы не повторять старые ошибки, было составлено подробное описание успешных решений в схемах с энергетически-запрещенными зонами и основные правила проектирования схем с такими зонами. Также описаны неправильные схемные решения и отказы, которые были вызваны этими решениями. Все новые схемы рекомендуется сравнить с этими описаниями. Это поможет избежать около 50 % отказов схем. Автор планирует составить аналогичные описания для пусковых схем и схем подстройки, которые используются в игровых устройствах.
Анализ отказов
Одна из важных частей работы инженера — это ведение журнала «Анализ отказов». Даже простое описание отказа и способа его устранения хотя и не является полноценным анализом, но помогает пониманию причины отказа. Автор в своей практической деятельности всегда ведет такой журнал. Кроме того, составляет несколько копий отчетов по каждому отказу, которые предназначены для руководителя и для коллег. При последующих отказах такие отчеты помогают быстрее решить проблему. Автор и его коллеги постоянно перечитывают эти журналы и считают, что это способствует высокой продуктивности их работы.
Иногда приходится, чтобы докопаться до сути проблемы, рассматривать внутреннее состояние подозрительного компонента. Аккуратно молотком разбить и заглянуть. Например, проверка схемы на операционном усилителе ничего не могла определить. Заподозрили микросхему операционного усилителя. Оказалось, что один из выводов микросхемы был с трещиной, его сопротивление увеличилось, и вместо 0,5 А поступало 0,3 А. Таким образом, молоток тоже помогает обнаружить неисправность.
Если попадается целая партия какого-нибудь компонента с идентичными дефектами, то целесообразно, выявив причину, сообщить об этом производителю. Автор обычно посылает при этом свой отчет с анализом неисправности. Производитель внесет поправки в технологический процесс.
Молоток рекомендуется использовать и для уничтожения компонента, который определенное время заставлял Вас терзаться. Нужно разбить его на как можно мелкие кусочки. И это не шутка. Допустим, Вы определили, что неисправен конденсатор или переменный резистор. Вы откладываете его в сторону, на его место ставите исправный компонент и продолжаете работать со схемой. Большая вероятность того, что если его не разбить вовремя, он опять будет где-нибудь в схеме, и кто-то будет долго искать неисправность.

Поиск неисправностей по телефону
У автора данной книги такой большой опыт обнаружения неисправностей, что делается это даже по телефону. За каждым звонком может стоять либо простой вопрос типа: «как правильно использовать схему», либо очень трудный или даже неразрешимая проблема. Чаще всего правильный совет удается дать сразу же. Но иногда требуется время для изучения проблемы. В этом случае возникает необходимость в письменном описании проблемы или даже в очном изучении схемы, — оппонент тогда присылает ее в лабораторию.
Бывает, что неисправность возникает из-за неправильной эксплуатации схемы. Например, производитель стоматологического оборудования пожаловался на устойчивый отказ в регуляторе LM317. В результате подробной беседы выяснилось, что отказ произошел в Северной Дакоте в феврале. В этой местности такой климат, что в это время года в кабинете дантиста было очень сухо. Это способствовало накоплению высокого потенциала статического электричества. Регулятор LM317 имеет защиту от статического электричества в пределах от 3 кВ до 4 кВ. В кабинете было намного более высокое напряжение статического электричества. Реостат устройства контроля скорости в данном оборудовании дантиста одной стороной напрямую соединялся с регулятором LM317, а другая сторона его была заземлена через резистор в 1 кОм (см. рис.1.3). Таким образом, реостат функционировал как громоотвод для статического электричества, и при этом разряд шел на регулятор.

Рис. 1.3
Рис.1.2. Схема первоначального подключения реостата к микросхеме регулятора.
IN…вход OUT….выход ADJ….регулировка OUTPUT TO LOAD…выход на нагрузку SPEED…устройство контроля скорости LONG…провода

Проблема легко решалась изменением способа подключения резистора (см. рис.1.4). При этом скапливающееся статическое электричество стекает на землю, а не на микросхему. Улучшило бы работу схемы и добавление конденсатора небольшой емкости между выводом микросхемы ADJ и землей, но разработчик оборудования отказался это сделать, так как микросхема LM317 больше не давала отказов. Следует заметить, что эту конкретную проблему удалось решить по телефону.

Рис. 1.4.
Рис.1.3. Схема правильного подключения реостата к микросхеме регулятора.
IN…вход OUT….выход ADJ….регулировка OUTPUT TO LOAD…выход на нагрузку SPEED…устройство контроля скорости LONG…провода.

Перспективы автоматизированного поиска неисправностей. Компьютер как помощник и друг
Давайте задумаемся, что нужно для обнаружения неисправности? Схемы? Телевизионная техника? Машины? Люди? Работа инженера похожа на работу доктора, который по симптомам пытается найти решение. А если эту работу поручить компьютерной системе? В принципе она может распознать все симптомы, задать нужные вопросы, достаточно достоверно все это оценить и сделать верный диагноз. Такие компьютерные системы называют экспертными системами, и они являются составной частью искусственного интеллекта. Но автор предпочитает гениальный интеллект. Люди же, которые полностью полагаются на искусственный интеллект, могут решить некоторые виды проблем, но никогда не удастся застраховаться от гениальной глупости этих систем.
Автор согласен, что компьютер в работе по поиску неисправностей будет экономически выгоден и исключит ошибки по рассеянности, но никогда не заменит полностью работу человека со схемами (и с человеческим организмом). Скорее всего, на компьютер будет возложена функция рутинной работы.
Применение экспертных систем в авиации значительно улучшило работу механизмов, и всегда их диагностика была правильной. Вся авиационная техника стала стремительно усложняться, а компьютерные системы аккуратно отслеживали их работу, и ошибок становилось все меньше. Этот факт как бы опровергает мнение автора о применении экспертных систем в поиске неисправностей в электронных схемах. Возможно, автор ошибается и изменит свое мнение.