Перейти к содержанию
bbh_blocked_dnftl

Hardsamson

Пользователи
  • Постов

    52
  • Зарегистрирован

  • Посещение

  • Победитель дней

    20

Весь контент Hardsamson

  1. Как всем известно, основная причина почти всех неисправностей в электронной технике это либо отсутствие контакта там, где он должен быть, либо присутствие контакта там, где он не должен быть. Это знают все, кто сталкивался с разработкой ремонтом или эксплуатацией любой техники, внутри которой перемещаются носители электричества. Иногда эта причина при поиске неисправностей доводит потерпевших, чуть ли не до сумасшествия. Об одном таком случае, который произошел со мной во время осваивания КМОП технологий, хотелось бы рассказать. В начале 80 годов, будучи студентом четвертого курса, и подрабатывая на кафедре в родном политехе, я от руководителя получил несложное задание – смакетировать цифровой делитель на 100 и проверить его максимальное быстродействие. Счетчик необходимо было собрать на новейших в то время КМОП микросхемах К176ИЕ4. Это была полностью отечественная разработка: двоично-десятичный счетчик с семисегментным дешифратором и возможностью работать как с ЖКИ семисегментным индикатором, так и со светодиодной матрицей. Очень перспективная микросхема на то время, на неё возлагались большие надежды в любительском частотомеростроении, изготовлении разнообразных электронных часов и в конструировании любительских дозиметров (после известных событий 1986г). По совету шефа, я бегло ознакомился с переводной книжкой по применению КМОП микросхем Р. Мелен Г. Гарланд «Интегральные микросхемы с КМОП структурами» М. Энергия 1979г., и с нетерпением взялся за дело. В то время по причине отсутствия программ-симуляторов (да и устройств на которых бы эти симуляторы можно было бы запусить) в деле разработки новых устройств, практически все узлы электронной техники желательно было макетировать на специальных макетных платах (макетницах). Каждое предприятие, где было своё КБ, делало эти макетные платы на свой вкус и под свои задачи. В КПИ у нас были макетные платы в основном для проведения несложных лабораторных работ по аналоговой технике, на подобие показанной выше. На одной такой плате, представляющей собой пластину из текстолита, с установленными в несколько рядов монтажными лепестками, я и спаял схему эксперимента. На макетной плате сверху и снизу луженым проводом диаметром примерно 1,5 мм были проложены две шины – земля и питание. На счетный вход первой микросхемы подавались импульсы о т внешнего генератора, а к выходу переноса второго счетчика был подключен осциллограф. Питание подавалось от распространенного в то время сетевого источника питания Александрит с компенсационным стабилизатором напряжения на германиевых транзисторах. Блоки питания были исключительно надежные. Вот как выглядела схема эксперимента: Я выставил на выходе источника питания напряжение +9В, как того требовали ТУ на микросхемы 176 серии, и подключил приборы. Все прекрасно работало. Оба счетчика делили на десять. Максимальная частота счета была равна примерно 1 МГц, как и положено по ТУ. Я доложил шефу, что все работает. Тогда он попросил на выход делителя частоты подключить транзисторный ключ на КТ315 со светодиодом в качестве нагрузки и подать на вход счетчика сигнал с частотой 50 Гц. Светодиод должен был моргать с частотой 0,5 Гц. Я быстренько рассчитываю номиналы базового R1 и коллекторного R2 резисторов ключа, допаиваю к макету собственно ключ со светодиодом АЛ102А(на то время чуть ли не единственный доступный светодиод красного цвета свечения в полностью металлическом корпусе с маленьким окошечком). Подключаю ключ к счетчику и включаю питание. Светодиод не моргает. Проверяю осциллографом наличие входных импульсов - есть, питание в месте подключения проводов от источника к шинам макетницы – есть. Отдельно проверяю ключевой каскад – все работает. А оба счетчика не работают. Везде вместо импульсов сидят нулевые потенциалы. Меняю микросхемы – результат тот же. Отпаиваю базовый резистор R1 ключа от выхода счетчика - все работает. Впаиваю первый комплект микросхем - та же история. Многократно повторяю все вышеописанные манипуляции – результат тот же. Жалуюсь шефу, мол загадка природы, не знаю, что делать ?! Шеф был занят какими-то важными делами, и попросту отмахнулся от меня, дескать в трех соснах заблудился, разбирайся сам. Я в очередной раз включаю свою установку без нагрузки т.е. без транзисторного ключа, сижу и без тени мысли отрешенно смотрю на осциллограф , где видно, как мои счетчики прекрасно работают. Всё, финиш. Надо менять еще не начавшуюся профессию пока еще не поздно. И, вдруг, мой коллега по лаборатории начинает как-то странно смотреть то на меня, то на блок питания, то на осциллограф. И затем, медленно растягивая слова, спрашивает, а собственно говоря, что я делаю? Как, что – тупик, загадка природы, НЛО – уже со злостью отвечаю я. Тогда он говорит, что на загадку природы очень похоже, так как впервые видит, как микросхемы работают без питания. И тут я замечаю, что при лихорадочных поисках истины, впопыхах забыл включить блок питания. А осциллограф и генератор импульсов были включены и подключены к макету. При этом мои чудесные счетчики прекрасно и многократно считают до десяти каждый. Тут я уже не на шутку испугался, срочно позвали завлаба, и мы начали разбираться всем миром. Причину нашли не сразу, а минут через десять-пятнадцать. Нашел завлаб, так как он был человек, более бывалый, знающий и опытный, при этом забугорную книжку про этот новомодный КМОП читал более внимательно, чем я. Оказалось, что в плюсовой шине питания макетной платы, примерно в точке А на схеме, была микротрещина. Причем трещинка совершенно не заметная на глаз. Питание на счетчики не поступало. Но почему же они тогда работали?! Ответ я нашел все в той же импортной книжке. Оказывается, из-за технологических особенностей структуры во всех КМОП микросхемах первых поколений были паразитные элементы – диоды и тиристоры, которые получались как побочные эффекты при изготовлении на кристалле комплиментарных полевых транзисторов. В нормальных условиях эксплуатации паразитный диод не мешает, но когда при отсутствии питания появлялся сигнал на затворе первого транзистора счетчика, то диод открывается и происходит накачка блокирующего конденсатора С1 входным сигналом. Прямо детекторный приемник какой-то. Вот эту ситуацию я изобразил на следующей схеме. На блокировочном конденсаторе С1 появляется постоянное напряжение, примерно равное амплитуде входных импульсов, а запасенной энергии при емкости 0,1 мкФ оказалось достаточно, чтобы без нагрузки счетчики работали. Щуп осциллографа имел входное сопротивление около 10 МОм, поэтому выходы микросхем не шунтировал. Как только я подключил нагрузку в виде резистора R1 с током всего 900мкА напряжение на С1 падало до нуля. И появлялась необъяснимая ситуация. И это все свалилось на мою неокрепшую молодую психику! Потом эту макетную плату сотрудникам кафедры показывали как чудо света. И было чему удивляться. Представьте себе, что вы подключили авометр в режиме прозвонки к оголенному проводнику с одной стороны. А вторым щупом ведете по проводнику, и в каком-то месте вдруг контакт теряется, хотя визуально проводник кажется абсолютно целым. Много лет спустя я понял, что могло произойти. Когда припаивали луженый проводник к лепесткам макетной платы, могло возникнуть механическое напряжение при остывании проводника. А на самом проводнике могла быть риска от ножа, когда снимали изоляцию. И вот по этой риске он подло лопнул незаметно для глаза. Ну а, что произошло дальше нам известно. На советских военных заводах, на монтажных участках было запрещено зачищать провода колющими и режущими предметами – только обжигалками – видимо уже наступали на эти грабли. Поэтому не зря говорят, что радиотехника – это наука о контактах. В данном случае, если бы я работал с ТТЛ микросхемами, обрыв был бы найден очень быстро, но КМОП преподнес мне свой первый (но далеко не последний) урок. Кроме того, о загадочном поведении КМОП микросхем еще упоминали Хоровиц с Хилом в своей знаменитой хрестоматии «Искусство схемотехники». А, как известно, КМОП технология сейчас является основной в современной электронной технике и детские болезни успешно преодолены. Но о «науке о контактах» все - же забывать не стоит. Владимир Семенов 26 февраля 2019г
  2. Осторожно - коварный тантал. Недавно мне пришлось в очередной раз столкнуться с проблемой танталовых электролитических конденсаторов. Напомню, если кто не в курсе, чем они отличаются от привычных бытовых алюминиевых электролитов. Прежде всего, рабочим температурным диапазоном, меньшими токами утечки и меньшими диэлектрическими потерями. Например, алюминиевые электролиты могут работать до -40 по Цельсию (и то не все ), а танталовые выдерживают -60 при незначительном уменьшении емкости (до 5%). Поэтому они широко использовались в советской военной технике. Но почему их не применяли везде, где только можно? Ответ простой – цена. Танталовый электролитический конденсатор стоит раз в 10 дороже обычного алюминиевого. Ведь тантал все- таки редкоземельный металл, кроме того конструкция корпуса другая, более надежная и устойчивая к внешним воздействиям. Современные старатели с удовольствием их скупают в любых количествах и не только из-за тантала. Некоторые типы старых советских конденсаторов ( например К52-1) изготавливались в корпусах из серебряного сплава с содержанием серебра до 90%. В Советском союзе на нужды обороны ресурсов не жалели. Невольно вспоминается такая история, которая приписывается авиаконструктору Микояну. Когда на вооружение стал поступать перехватчики МиГ-25 со скоростью полета до 3000 км/час, то участились жалобы жен летчиков и технического состава на то, что мужья спиваются из-за огромного количества неучтённого спирта, который ухитрялись сливать после полетов из систем охлаждения самолета. Все просто - полет происходил не всегда на максимальных скоростях, и летчики попросту не включали системы охлаждения, а списывался спирт всегда по полной. Почему нельзя заменить охлаждающую жидкость на другую? – жаловались в политотделы возмущенные жены. Этот скандал докатился до генерального конструктора самолета Микояна. На что он ответил – если для пользы дела туда будет нужно лить армянский коньяк, то мы будем так и поступать, а жены пусть лучше смотрят за своими мужьями. По моим наблюдениям, танталовые конденсаторы типов ЭТО и К52-1 лет 15-20 не меняют своих свойств. Но время берет своё, и тут начинается самое неприятное. Если обычный алюминиевый конденсатор при старении может просто потерять емкость, или увеличится утечка, отгниют выводы, максимум - загадит вытекшим электролитом плату наконец. На большие неприятности были способны только старые советские конденсаторы К50-6 , которые могли взорваться при перепутывании полярности включения. На современных алюминиевых конденсаторах есть специальные насечки, по которым корпус конденсатора надрывается при повышении давления внутри и взрыва не происходит. Как правило, устройство после этого просто перестаёт работать, то в танталовых конденсаторах, без видимых на то причин возникает внутреннее короткое замыкание. Причин этих я не знаю, может со временем разбухает танталовый пористый цилиндрик и при этом касается стенок корпуса, может возникают какие-нибудь проводящие мостики из-за диффузии. Некоторые источники утверждают, что при переходе оксида тантала из аморфной стадии в кристаллическую его сопротивление резко уменьшается. Но есть довольно большая печальная статистика, что со временем больше половины конденсаторов самопроизвольно закорачиваются. Последствия нетрудно предугадать, так как основное назначение электролитических конденсаторов – это использование в блоках питания и развязывающих фильтрах. Есть, правда, некоторые «разработчики», которые используют электролитические конденсаторы во времязадающих цепях, но, это считается дурным тоном. Недавно у меня произошел очередной отказ, виновником которого стал старый танталовый конденсатор. Недавно приобрел я советский УКВ радиоприемник для радиоразведки Р313М2, который давно хотел иметь в своей коллекции. Продавца я знаю не первый год, человек порядочный, никогда меня не обманывал и не подводил . Приемник анонсировался как рабочий. И вот приношу я сей аппарат домой, включаю, и тишина… Никакой реакции на органы управления. Взгляд на внешний блок питания - КЗ. А у меня за годы работы с техникой выработалось правило – там, где это возможно всегда использовать ограничение тока или защиту по току. Поэтому перед первым выключением на внешнем блоке питания я выставил ограничение тока в 2А. А в приемнике на входе стоит компенсационный стабилизатор напряжения на 10в с проходным транзистором П210 установленным на лицевой панели приемника . Этот стабилизатор питает двухтактный преобразователь напряжения для получения необходимых напряжений питания всех узлов приемника. Я подумал, что не хватает тока для запуска преобразователя, и увеличил ток защиты до 5 А. Больший ток мой блок питания выдать не может. Результат тот же. Тогда я понял, что есть неисправность в блоке питания приемника . Фрагмент схемы приемника, где изображен блок питания: Блок питания конструктивно установлен в приемнике на разъеме и легко извлекается после откручивания четырех винтов. Отрадно , что старичок П210А (ПП34) выдержал пятиамперные издевательства с моей стороны и даже не нагрелся. После недолгих манипуляций с тестером, была найдена точка короткого замыкания, и как оказалось, виновником оказался конденсатор С206 (указан на схеме красной стрелкой). Это был электролитический конденсатор типа ЭТО-2 на 400 мкФ 15В. И стоит он как раз в цепи фильтрации напряжения, питающего импульсный двухтактный преобразователь. До него было относительно трудно добраться, но, наконец, он был извлечен на белый свет: Вынимать конденсатор из платы было тоже нелегко, так как он был намертво приклеен к плате эпоксидной смолой Я обратил внимание, что адгезия (сила сцепления ) краски конденсатора со смолой была выше, чем с корпусом самого конденсатора: И еще было видно, что из конденсатора потек электролит, и запачкал весь отсек: Это фото сделано уже после того, как отсек был очищен от загрязнения. Можно представить , что я увидел сразу после извлечения платы. При измерении сопротивления конденсатора я увидел следующее: Комментарии, как говорится, излишни. Пробит наглухо. Конденсаторов ЭТО-2 у меня уже давно нет, было решено поставить связку из трех штук более современных, и соответственно более свежих танталов к52-1 на 100мкФ 35В. В сумме получилось 300 мкФ, но в данном случае это совершенно допустимо. Так как у родного конденсатора 400 мкФ был допуск +-20%, а нижняя граница допуска соответствует 320мкФ. Так как современным надписям на деталях доверять нежелательно связка конденсаторов была проверена на китайском тестере Т4: Результаты измерений меня удовлетворили, показатель утечки в 0,4% очень хороший . Для сравнения у подавляющего количества современных новых алюминиевых электролитов этот показатель колеблется от 1% до 2,5%. Конденсаторы были изготовлены в декабре 2006 г следовательно еще лет десять есть в запасе, а там видно будет. После установки новых конденсаторов в плату приемника она приобрела следующий вид: После окончательной сборки приемник ожил, и устойчиво заработал на всех диапазонах. Вот так выглядит приемник во включенном состоянии: Фото Алексея Игонина, у моего Р313М2 внешний вид похуже. Хочу отметить одну особенность применения танталовых конденсаторов в импульсных блоках питания . ВСЕГДА надо брать двукратный или более запас по напряжению и избегать больших номиналов ёмкости в одном конденсаторе . Лучше включить параллельно несколько конденсаторов меньшей емкости. Если источник питания, к примеру, на 12В то на выходе тантал надо ставить на 25В, а не на 16В как может показаться вначале. Проверено. Особенно это касается современных SMD конденсаторов. У них огромное разнообразие типов, причем тип как правило пишется только на сопроводительной таре. Поэтому может оказаться, что Вы ставите в схему конденсатор, который не рассчитан на Ваши условия эксплуатации. У меня лет десять тому назад был очень неприятный случай, когда после монтажников ко мне попали на первое включение блоки питания бортовой аппаратуры специального назначения и все танталы при первом включении начали буквально гореть синим пламенем. Молодые ребята - настройщики за соседними столами в лаборатории начали хихикать, мол Акелла промахнулся, я вначале запаниковал, начал грешить на монтажников, но они запаяли все правильно – полярность и номиналы не перепутали, потом начал разбираться и наткнулся в сети на англоязычное руководство по применению SMD танталовых конденсаторов фирмы AVX . Там было написано, что в случае применения конденсаторов при импульсной нагрузке, необходимо руководствоваться графиком допустимого рабочего напряжения конденсатора и реального напряжения в схеме. Причем для разной ёмкости и типов конденсаторов графики разные. А еще лучше применять конденсаторы определённого типа. В вышеописанном примере вместо конденсаторов типа TPS фирмы AVX, были установлены конденсаторы TAJ того же производителя. Конденсаторы TPS при одинаковом рабочем напряжении имеют в два раза большие габариты по высоте и соответственно большую стоимость, но зато предназначены для работы при импульсных нагрузках. Ну а разработчик, то ли не знал этого, то ли решил сэкономить … Хорошо, что возгорание случилось при первом включении, а если бы у заказчика в самый неподходящий момент? Объясняют это явление (синее пламя) некоторые авторы тем, что у танталов малые величины эквивалентного последовательного сопротивления и при быстрой перезарядке конденсатора возникают огромные пиковые токи внутри конденсатора, которые и приводят к возгоранию. Бороться с этим явлением предлагают путем последовательного включения с конденсатором резистора сопротивлением 0,1-0,5 Ом для уменьшения пиковых токов. Но это умышленное увеличение ESR, что не совсем правильно (за что боролись ? ). Тут, по моему мнению, должен быть компромисс между емкостью, стоимостью и габаритами. Ну и, конечно, надо правильно подбирать тип конденсатора, согласно справочным данным, а не ставить первый попавшийся. Танталовые емкости вольного обращения не прощают. Владимир Семенов 11.02.2019
×
×
  • Создать...