Диагностирование основных элементов электроники средств автоматизации

Общие сведения. Техническое состояние электрических средств автоматизации (см. п.4.7) на судах проверяют с по­мощью инструментов и визуальным осмотром.

Основными элементами электроники (ЭЭ) судовых электри­ческих средств автоматизации являются резисторы, конденсаторы торы, индуктивные элементы, полупроводниковые приборы (ди­оды, стабилитроны, транзисторы, динисторы, тиристоры) и электронные модули. Ниже рассматриваются основные неис­правности и методы проверки работоспособности ЭЭ в судовых условиях при использовании ограниченного набора измеритель­ных приборов.

При возникновении неисправности ЭСА поиск неис­правного ЭЭ рекомендуется начинать после предвари­тельной проверки работоспособности средств сигнализации, за­щиты и коммутации (сигнальных ламп, предохранителей, вы­ключателей и др.), источников (блоков) питания, и внешних устройств (датчиков, сигнализаторов, конечных выключателей и др.).

Затем следует осуществить визуальный контроль ТС ЭСА и в соответствии с инструкциями по эксплуатации определить инструментально-контролируемые параметры ТС ЭСА. Эле­менты электроники с обнаруженными при осмотре неисправ­ностями подлежат проверке в первую очередь.

Дальнейший поиск неисправного ЭЭ рекомендуется выпол­нять с использованием электрических схем, сначала отыски­вая более сложное неисправное устройство, а затем в нем- более простое (по принципу система-блок-модуль-элемент). При этом анализируются признаки неисправности, выдвигают­ся предположения о ее причинах и выбираются методы (фор­мальные или логический) и способы (замены или исключения элемента, введения дефекта, промежуточных измерений, харак­терного признака) поиска неисправного ЭЭ.

При обнаружении неисправного ЭЭ (увеличе­ние тока утечки, уменьшение сопротивления изоляции или на­пряжения переключения и т. п.) выполняются измерения его основных параметров обычными или специальными приборами и с помощью проверочных схем. Если паспортные данные ЭЭ отсутствуют, то результаты измерений сопоставляют с анало­гичными данными запасных исправных ЭЭ.

Чтобы результаты были наиболее достоверны, параметры ЭЭ рекомендуется измерять в сухом помещении при температу­ре воздуха 20...25°С (особенно это касается терморезисто­ров, германиевых диодов и транзисторов).

После обнаружения неисправного ЭЭ следует проанализи­ровать возможные причины неисправности, которые должны быть устранены до замены ЭЭ и ввода ЭСА в действие (зави­симый отказ), а также принять при необходимости меры для предотвращения повторной неисправности (замена ЭЭ на дру­гой, с более высокими параметрами, улучшение охлаждения и т. д.). Если же в результате поиска неисправный ЭЭ не об­наружен, то данное устройство передают специализированной береговой организации для ремонта.

При отсутствии четких указаний в инструкциях по эксплуа­тации или достаточных технических оснований, самостоятель­ное вскрытие и ремонт сложных ЭСА, выполненных на базе новых полупроводниковых приборов, не рекомендуется.

Резисторы. Отказ резисторов может произойти по сле­дующим причинам:

обрыв выводов или перегорание, сопровождающееся раз­рывом или коротким замыканием проводящего слоя (витков) резистора;

нарушение контакта между подвижным узлом и проводя­щим слоем переменного резистора;

изменение сопротивления сверх допустимого;

потеря или уменьшение чувствительности (у фоторезисто­ров).

При определении работоспособности резистора проверяют соответствие его омического сопротивления номинальному зна­чению.

Проверку резисторов можно производить измеритель­ным мостом, омметром или методом вольтметра-амперметра. Относительное отклонение сопротивлений линейных резисторов и терморезисторов с отрицательным температурным коэффици­ентом сопротивления (ТКС), измеренных любым способом, не должно выходить за пределы: ±5% номинального значения для прецизионных линейных резисторов; ±20%-для обыч­ных линейных резисторов и ±35%-для большинства типов герморезисторов при температуре окружающей среды 20...25 °С.

Проверка резисторов в схеме производится при снятом питании, один вывод проверяемого резистора должен быть отклю­чен от схемы. При проверке резисторов величиной 1000 Ом и 5олее не следует одновременно касаться руками обоих выводов, чтобы не вносить дополнительной погрешности в результат измерения.

При определении работоспособности пере­менного резистора проверяют:

соответствие его полного сопротивления номинальному зна­чению:непрерывность контактирования переменного проволочного резистора и плавность изменения сопротивления непроволочного резистора;

минимальное сопротивление;

начальный скачок сопротивления.

При проверке соответствия полного сопротивления перемен­ного резистора его номинальному значению подвижный контакт резистора должен быть установлен в любое конечное по­ложение, а измерительный прибор подключен к крайним вы­водам.

Проверка непрерывности контактирования переменного про­волочного резистора и плавность изменения сопротивления не­проволочного резистора производится путем перемещения под­вижного контакта резистора из одного крайнего положения в другое и обратно. При этом измерительный прибор (омметр) для проверки непрерывности контактирования подключается к выводу подвижного контакта и одному из крайних выводов проволочного резистора, а для проверки плавности изменения сопротивления- к выводу подвижного контакта и поочередно к каждому крайнему выводу непроволочного резистора. Ско­рость перемещения подвижного контакта- один цикл за 8...16 с. Отклонения (скачки) стрелки измерительного прибора при перемещении подвижного контакта свидетельствуют об имеющихся нарушениях контакта.

Проверка величины начального скачка сопротивления рези­стора производится путем медленного перемещения подвижно­го контакта из положения упора („выключено") до начала плавного изменения сопротивления. При этом фиксируется зна­чение сопротивления, начиная от которого оно плавно изменя­ется. Начальный скачок для линейных резисторов не должен превышать 10%, а для нелинейных 1% их номинального зна­чения.

Проверка работоспособности терморезистора заключается в определении соответствия его сопротивле­ния номинальному значению.

В процессе измерений необходимо учитывать, что мощность, рассеиваемая на ТКС, не должна превышать 1,6 мВт для стержневых ТКС, 10 мВт для дисковых ТКС и 0,3 мВт для бусинковых ТКС.

Если работоспособность терморезисторов проверяется при температуре окружающей среды менее 45⁰С, то необходимо учитывать следующее:

сопротивление терморезистора с положительным темпера­турным коэффициентом сопротивления (позистора) в нормаль­ных условиях должно находиться в пределах 20...250 кОм и резко возрастать в интервале температур 100...170°С;

сопротивление ТКС (термистора) в нормальных условиях должно находиться в пределах 3...60 кОм и резко увеличи­ваться при снижении температуры.

Работоспособность фоторезистора проверя­ется путем измерения его сопротивления в освещенном и за­темненном состоянии.

Работоспособный фоторезистор должен иметь темповое со­противление в пределах 10⁶...10⁸ Ом и световое на 2...3 по­рядка меньше. Засвечивание производится при помощи лампы накаливания (без отражателя) мощностью 40Вт с расстояния 0,6...0,7м (освещенность 200...300 лк).

Конденсаторы. Отказ конденсаторов может произойти по следующим причинам:

короткое замыкание или обрыв цепи внутри конденсатора, а также обрыв выводов,

увеличение тока утечки,

уменьшение емкости,

При определении работоспособности конден­сатора проверяют соответствие емкости конденсатора его по­минальному значению с учетом допусков, а также чтобы не было пробоя или обрыва цепи конденсатора и увеличения тока утечки.

Рабочее напряжение измерительных устройств не должно превышать номинального напряжения конденсатора. При про­верках электролитических конденсаторов необходимо соблю­дать полярность подключения обкладок (электродов).

Емкость конденсатора измеряют специальными приборами для измерения электрической емкости или с помощью прове­рочной схемы (методом вольтметра—амперметра).

Пробой определяют с помощью омметра, подключаемого к выводам конденсатора. При коротком замыкании внутри кон­денсатора стрелка омметра отклоняется к нулю, а при отсутст­вии пробоя -установится в положение „бесконечность".

Обрыв цепи внутри конденсатора можно определить по про­верочной схеме, состоящей из последовательно соединенных конденсатора, амперметра переменного тока и резистора, огра­ничивающего ток через конденсатор. На схему подается пере­менный ток напряжением, не превышающим 20% номинально­го напряжения конденсатора. Отсутствие тока в цепи указыва­ет на обрыв.

Увеличение тока утечки определяется повторным подклю­чением омметра к выводам конденсатора. При первом под­ключении стрелка омметра отклонится за счет тока заряда, а затем вернется в исходное положение. Если при последующих подключениях, повторяемых с интервалом в несколько секунд, стрелка будет опять отклоняться, то это значит, что конденса­тор имеет повышенный ток утечки.

Индуктивные элементы. Отказ индуктивных элементов может произойти по следующим причинам:

снижение сопротивления изоляции между обмотками, а так­же относительно корпуса;

межвитковые замыкания;

нарушения крепления выводов обмоток, а также плотности сборки магнитной системы;

неправильная поляризация выводов обмотки. При определении работоспособности индуктивных элемен­тов проверяют:

сопротивление изоляции обмоток по отношению к корпусу, а также между обмотками;

отсутствие короткозамкнутых витков в обмотках;

плотность сборки магнитной системы, надежность крепле­ния и полярность выводов обмоток.

Отсутствие короткозамкнутых витков проверяют способами,описанными в п.4.11, или путем проверки числа витков обмот­ки индуктивного элемента по коэффициенту трансформации.

Чтобы определить число витков индуктивного элемента с двумя большим числом обмоток, к заведомо работоспособной обмотке подводят напряжение переменного тока (не превы­шающее номинальное для данной обмотки). Число витков в проверяемой обмотке определяют по измеренному напряжению, индуктируемому в ней, из соотношения

Число витков индуктивного элемента с одной обмоткой оп­ределяют следующим образом. Поверх данной обмотки изоли­рованным проводом (диаметром 0,75 или 1мм²) наматывают произвольное число витков W₁. Затем подают напряжение пере­менного тока Uпит на обмотку W_x и замеряют напряжение U₁, индуктируемое в обмотке W₁. Число витков проверяемой об­мотки определяется из соотношения .Этот спо­соб можно применить и для проверки числа витков индуктив­ного элемента с несколькими обмотками.

Плотность сборки магнитной системы контролируется путем затяжки гаек на стяжных болтах магнитопровода. При ослаб­ленной плотности сборки магнитной системы наблюдается по­вышенная шумность пакетов пластин при работе индуктивного элемента.

Надежность крепления выводов обмоток на клеммной колод­ке обеспечивается регулярным обжатием контактных винтовых соединений.

Для определения взаимной полярности обмоток индуктивно­го элемента рекомендуется применять индуктивный метод про­верки. При определении взаимной полярности двух обмоток W₁ и W₂ (рис. 4.39) к выводу обмотки W₁, который условно прини­мается за ее начало, через выключатель подводится положи­тельный потенциал, а к обмотке W₂ подключается вольтметр. Если в момент включения питания вольтметр покажет отклонение, то вывод, подключен­ный к „+" вольтметра, явля­ется началом проверяемой об­мотки W₂. Если две одинако­вые обмотки W₃, и W₄ включе­ны встречно, то в момент включения питания вольтметр, присоединенный между их выводами, не покажет отклонения. При параллельном включении обмоток W₃ и W₄ стрелка вольтметра существенно отклонится от нуля. При встречном включении обмоток с разным числом витков будет наблюдать­ся отклонение стрелки вольтметра, пропорциональное разности количества витков в обмотках.

Рис. 4.39. Схема проверки взаимной полярности обмоток индуктивным методом

Полупроводниковые диоды и стабилитроны. Стабилитрон-это опорный диод, обеспечивающий постоянное напряжение, независимо от проходящего через него тока. Отказ диодов и стабилитронов может произойти в результате обрыва цепи внутри прибора (сгорание) или обрыва выводов, а также по­тери запирающей способности (пробой).

Работоспособность диодов и стабилитронов определяется путем проверок на пробой р-n перехода и обрыв внутренней цепи, изменение величины тока утечки и на герметичность кор­пуса.

Неработоспособный диод или стабилитрон можно определить с помощью вольтметра переменного тока или омметра.

Вольтметром определяется неработоспособный диод в схе­мах выпрямления, находящихся под напряжением. Такой диод обнаруживают измерением напряжения на всех диодах. На­грузка схемы выпрямления должна быть включена, а емкост­ный фильтр на выходе схемы-отключен. При пробое напря­жение на диоде должно быть равно или близко к нулю, а при внутреннем обрыве-всегда больше, чем на работоспособном диоде.

Омметром измеряют сопротивления проверяемых диодов и стабилитронов в обоих направлениях. При обрыве внутренней цепи показания омметра в прямом и обратном направлениях будут равны „бесконечности", а при пробое -нулю. У работо­способных диодов (стабилитронов) величина сопротивления в зависимости от типа, величины тока и окружающей температу­ры при измерениях колеблется в пределах от единиц до сотен Ом в прямом направлении и свыше 10...100 кОм в обратном.

Если при измерении сопротивления диодов (стабилитронов) в обратном направлении показания омметра медленно изменя­ются до значений, составляющих 60...70% от первоначально­го, то это свидетельствует о наличии недопустимых утечек тока.

Проверить работоспособность диода можно также с по­мощью контрольной схемы для определения прохождения то­ка. Проверяемый диод включается последовательно с батареей (от 3 до 6В) и лампой накаливания, а затем изменяется по­лярность его включения. Диод в работоспособном состоянии должен пропускать ток (лампа горит), в противоположном на­правлении- не пропускать (лампа не горит).

Нарушение герметичности корпусов диодов(стабилитронов) можно определить по наличию трещин в районе выводного узла.

Динисторы и тиристоры.(динистор -переключающий четырехслойный неуправляемый диод). Отказ динисторов и ти­ристоров может произойти по следующим причинам:

обрыв цепи внутри прибора (сгорания) или обрыв выводов; потеря запирающей способности в прямом или обратном на­правлении (пробой);

потеря управляемости тиристором (сгорание цепи управля­ющего электрода).

Работоспособность динисторов и тиристоров определяется проверками на пробой (потерю запирающей способности в пря­мом и обратном направлении), на обрыв внутренней цепи (разрушение р-n-р-n структуры) и на потерю управляемости тиристоров.

Неработоспособный динистор в цепи, находя­щейся под напряжением, может быть определен с помощью вольтметра переменного тока. Если вольтметр показывает пол­ное напряжение питания, то произошло сгорание прибора; если половину-пробой в прямом направлении; если менее одной трети до 2...3В (в зависимости от режима работы)-пробой в обратном направлении. Напряжение на работоспособном динисторе при протекании через него номинального тока не превышает обычно 1,5В.

Неработоспособный тиристор в цепи, находя­щейся под напряжением, в принципе также может быть опре­делен с помощью вольтметра переменного тока. Значения на­пряжений зависят от схемы управления, углов управления и причины неработоспособности тиристора. Ориентировочно при сгорании напряжение на тиристоре будет выше, а при пробое ниже, чем у аналогичного работоспособного прибора.

Проверка динисторов и тиристоров на пробой может произ­водиться омметром путем измерения сопротивления в прямом и обратном направлениях. В случае пробоя в одном из направ­лений соответствующие показания будут равны или близки к нулю. Значения сопротивлений работоспособного прибора в прямом и обратном направлениях должны быть не менее 1МОм.

Проверку динистора на отсутствие разрушения р-n-р-n структуры рекомендуется производить, применяя специальную измерительную схему (рис.4.40). Питание на схему подается от регулируемого источника постоянного тока. Величина бал­ластного сопротивления R_б выбирается из расчета ограничения предельной величины тока, протекающего через динистор, до 0,6 номинального, не превышающего, как правило, 0,2 А. При проверке напряжение на входе схемы постепенно повышают, чтобы убедиться в том, что напряжение включения динистора находится в пределах установленных значений; момент вклю­чения и величину напряжения включения контролируют ам­перметром и вольтметром. Невключение динистора свидетель­ствует о нарушении р-n-р-n структуры.

Проверки на отсутствие разрушения р-n-р-n структуры и потерю управляемостью тиристора рекомендуется производить с помощью схемы на рис.4.41.

Рис. 4.40. Схема проверки динистора

Рис. 4.41. Схема проверки отсутствия разрушения структуры тиристора

На вход схемы подается на­пряжение постоянного тока 10...12В. Ток управления регули­руется с помощью переменного резистора R_P, выбираемого по условию обеспечения максимального тока управления (токи управления для тиристоров отечественного производства не пре­вышают 15мА для маломощных приборов, 100мА для прибо­ров средней мощности и 2А для приборов большой мощности; обычно значения токов управления примерно на порядок меньше максимальных). Сопротивление резистора Rб выбира­ется; из условия ограничения прямого тока тиристора до 30...50мА для приборов малой мощности и 400...500мА для при­боров средней и большой мощности. Момент и токи включения контролируются амперметрами. Невозможность включения ти­ристора свидетельствует о разрушении р-n-р-n структуры, а отсутствие тока в цепи управления-о потере управляемости.

При работе тиристоров в некоторых схемах с емкостной коммутацией, а также при работе с тепловыми перегрузками значения прямого и обратного тока утечки возрастают. Про­верка токов утечки производится при включении тиристора по схеме на рис.4.42. Паспортные значения токов утечки приводятся для предельных прямых и обратных напряжений, поэтому нужно сравнивать полученные замеры с замерами для за­ведомо работоспособных тиристоров.

Транзисторы. Отказ транзисторов может наступить в результате: обрыва цепи внутри прибора (сгорание) и обры­ва выводов, а также потери запираю­щей способности (пробой).

Рис. 4.42. Схема проверки токов утечки тиристора

Работоспособность транзисторов определяется со­ответствием их основных параметров техническим характери­стикам, установленным для каждого типа транзистора. Изме­рение параметров производится специальными или встроенны­ми в некоторые типы тестеров измерителями параметров полу­проводниковых приборов. При отсутствии таких измерителей можно использовать метод проверочной схемы.

Неработоспособный транзистор в цепи, находящейся под напряжением, может быть определен с, помощью вольтметра постоянного тока. В связи с многообразием типов транзисторов и схемных решений эффективность поиска зависит от наличия технической информации по конкретному техническому средству (карта напряжений) возможности сравнения измерений, выполняемых на нескольких транзисторах (выполняю­щих одинаковые функции), работоспособность одного из которых вызывает сомнение.

Неработоспособный транзистор может быть определен с помощью омметра путем измерения сопротивления переходов в прямом и обратном направлениях. В случае пробоя перехо­да его сопротивление будет равно нулю, а при сгорании при­бора сопротивления переходов в обоих направлениях будут равны бесконечности. Ориентировочные значения сопротивле­ний переходов работоспособных отечественных транзисторов различного типа, получаемые путем измерений омметром, нахо­дятся в следующих пределах:

а) транзисторы малой мощности, низкочастотные, германи­евые, типа р-n-р:

+Б-К: сотни кОм; -Б+K: десятки Ом;

+К-Э: сотни кОм; -К+Э: десятки Ом;

+Э-Б: десятки Ом; -Э+Б: сотни кОм;

б) транзисторы большой мощности, низкочастотные, германиевые, типа р-n-р:

+Б-К: десятки кОм; -Б+K: единицы, (десятки).

+ К-Э; десятки кОм; -К+Э: единицы кОм;

+Э-Б: (единицы) десятки Ом; -Э+Б: (десятки) сотни кОм;

в) транзисторы большой мощности, среднечастотные, крем­ниевые, типа n-р-n:

+Б-К: десятки Ом; —Б + К: сотни кОм;
+К-Э: единицы МОм, (сотни кОм); -К+Э: десятки кОм;
+ Э-Б: (единицы) десятки кОм; -Э+Б: десятки Ом.

Рис. 4.43. Схема проверки работоспособности транзисторов типа р-n-р

Рис. 4.44. Схема проверки работоспособности транзисторов типа р-n-р

Здесь Б-база, К-коллектор, Э-эмиттер; знаки „плюс" „минус"означают полярность зажимов омметра при измерени­ях. Значения, указанные в скобках, менее вероятны.

Проверку работоспособности транзистора типа р-n-р можно произвести с помощью проверочной схемы, приведенной на рис.4.43, а транзистора типа n-р-n-на рис.4.44. В этих схе­мах переменные резисторы Rб _И Rh служат для ограничения то­ков базы,и нагрузки (коллектора) до величин, определяемых техническими условиями, справочными данными на транзистор данного типа или технической документацией на конкретную схему устройства.

Ориентировочно Rб должно быть 500...1000Ом для мало­мощных транзисторов,10...50 Ом для транзисторов средней мощности и 0...2Ом для транзисторов большой мощности.

При замкнутом выключателе SA₁ с помощью амперметра РА₁(на пределе „мА" или „мкА") измеряется начальный ток коллектора I_Кн. Отсутствие начального тока свидетельствует о разрыве цепи Э-К, а превышение I_кн предельной величины(вплоть до значения U_1/R_h) может быть как в результате раз­рушения перехода Э-К, так и в результате разрушения пере­хода Э-Б.

При замкнутых выключателях SA₁ и SA₂ путем изменения тока базы (с помощью резистора R_p) проверяют управляемость транзистора, а также статический коэффициент усиления по току как отношение изменения тока коллектора к вызвавшему его изменению тока базы .

Косвенно о работоспособности транзистора можно судить по работоспособности его р-n переходов и целостности выводов, проверяемых с помощью омметра.

Расположение и полярность выводов транзисторов при от­сутствии указаний в паспорте или на корпусе прибора следует определять, руководствуясь принципиальной и монтажной схе­мами объекта.

Электронные модули. Отказами электронных модулей могут быть (см.п.3.2): несрабатывание, ложное срабатывание и уход сигнала.

Работоспособность электронных модулей рекомен­дуется проверять с помощью специальных приборов (уст­ройств) контроля. При отсутствии таких приборов (устройств) работоспособность модуля может быть проверена косвенно, пу­тем проверки работоспособности элементов, входящих в состав его схемы.

Работоспособность модулей аналогового действия (операци­онные усилители) следует проверять по коэффициенту усиле­ния; проверка проводится с включенными цепями обратной связи. Коэффициент усиления определяется как отношение при­ращений напряжения выходного и входного сигнала. Соответ­ствие коэффициента усиления значению, указанному в техни­ческой документации, свидетельствует о работоспособности модуля и о правильности настройки усилителя.

Работоспособность модулей дискретного действия (двоич­ные логические элементы) следует проверять на правильность их срабатывания (переключения) при подаче на их входы сиг­налов, соответствующих логическим „0" и „1". При проверке следует учитывать, что логическим „0" и „1"соответствуют оп­ределенные диапазоны напряжений. На вход модулей следует подавать напряжения, соответствующие нижней границе диапазона. Работоспособный логический элемент при подаче вход­ных сигналов должен производить переключения, предусмот­ренные его схемой.

Модули, содержащие интегральные схемы средней и боль­шой степени интеграции (БИС), в том числе микропроцессор­ные БИС, ремонту в судовых условиях не подлежат. Не допус­кается касаться руками открытых частей печатного монтажа, штеккеров, разъемов и элементов модулей с целью предотвра­щения вывода их из строя разрядом статического электричест­ва. Восстановление работоспособности электронных средств автоматизации, построенных на базе БИС, должно произво­диться только путем замены неисправного модуля запасным. Неисправные модули должны ремонтироваться только берего­выми cпециализированными организациями. Поиск неисправ­ного модуля производят только с помощью встроенных или внешних средств технического диагностирования в соответствии с указаниями инструкции по эксплуатации.