Руководство по устранению неисправностей и ремонту

.4 Заключительные испытания

Выполнив проверку основных функций, по крайней мере, в меру своих возможностей, просто сделайте быструю повторную проверку:

• напряжение питания на клеммах усилителя (с защитными резисторами) находится в пределах 1 В по сравнению с напряжениями на конденсаторах фильтра;

• ничто не греется, в том числе защитные резисторы (слегка теплые);

• выходное напряжение находится в пределах 100 мВ или около того относительно нулевого напряжения (предпочтительно менее 50 мВ);

• базовое тестирование мощности показывает, что оба плеча усилителя потребляют ток, и в динамике слышен адекватный сигнал.

Теперь Вы готовы протестировать усилитель на полную мощность (но для обеспечения безопасности используйте все же варистор или лампочку). Отсоедините предохранительные резисторы и верните на место все предохранители с правильными значениями, которые были ранее удалены.

На всякий случай можно оставить громкоговоритель с последовательно подключенным резистором. Включите питание (или поднимите выходное напряжение ЛАТРа) — все напряжения должны быть в норме, хотя они могут быть и немного сниженными, если используется «ламповый шнур питания». Внимательно проследите за тем, что может греться (или быть горячим).

Если все в порядке, отрегулируйте ток покоя примерно на 1/2 рекомендуемого значения, подайте входной сигнал и убедитесь, что усилитель воспроизводит звук без искажений. Не пытайтесь получить полную выходную мощность, если все еще используется ламповый шнур питания.

Оставьте все в течение как минимум 10 минут, проверяя, что ток потребления (покоя) остается стабильным и что никакие компоненты излишне не нагреваются. Имейте в виду, что некоторые компоненты во многих усилителях при работе нагреваются довольно сильно, но Вы должны иметь возможность держаться за все малые/средние транзисторы без опасности ожога пальцев.

Когда Вы удовлетворены тем, что все работает правильно, выключите аппарат, отключите ЛАТР или ламповый шнур питания и включите его снова. Дважды проверьте напряжения питания и выходного напряжения и подайте сигнал — если последовательно с Вашим динамиком все еще остается последовательный резистор, Вы можете повышать уровень входного сигнала до тех пор, пока звук не будет искажен (ограничение выходного сигнала).

Проверьте все температуры (снова! Я знаю, что это утомительно, но это стоит затраченных усилий). Установите ток покоя на рекомендуемое значение, используя метод, предложенный в статье проекта (он может значительно варьировать). Оставьте усилитель работать в таком режиме, контролируя температуры — транзисторы, резисторы, радиатор.

Примечание. Если температура радиатора (а также ток покоя) продолжает увеличиваться, у Вас есть проблема! Немедленно выключите усилитель и уменьшите ток покоя. Не включайте питание до тех пор, пока радиатор не остынет (вентилятор поможет это сделать намного быстрее). Усилитель может иметь проблему с термостабильностью — убедитесь, что транзистор стабилизации тока покоя (если он используется) установлен в соответствии с инструкциями. Потеря термостабильности (как эта проблема называется) обычно является результатом недостаточной тепловой обратной связи. Обратитесь к проектировщику за информацией о том, как решить проблему.

Никогда не используйте усилитель, пока эта проблема не устранена — он перегреется и выйдет из строя.

12 терминология

Существует множество видов странных звуков, которые электроника может воспроизводить через громкоговорители и лишь некоторые из них — преднамеренно. Щелчки, хлопки, пукания, гул, гудение, шипение, стуки — все имеют смысл, но значения иногда путаются (например, «гул» и «шум» — «hum» и «buzz»). Я не могу (и не буду) пытаться их охватить, но рассмотрю некоторые из наиболее важных (и общих).

Шипение (Hiss): Звук FM-тюнера, не настроенного на станцию или звук воздуха между зубами. Звук «sss» в письме ess. Это все шипение — однако, все, что не похоже ни на одно из описанного, шипением не является. Некоторое шипение неизбежно — все компоненты создают шум — даже кабели, а использование малошумящих компонентов (особенно ОУ и резисторов) шипение уменьшит, но никогда не устранит.

Гул (Hum): Как описано выше — ровный низкочастотный сигнал  50/60 Гц, без каких-либо призвуков или высочастотных гармоник.

Жужжание (Buzz): Любая частота, но обычно 100 или 120 Гц, в зависимости от частоты Вашей сети. Жужжание имеет жесткую тональность и типично для шума выпрямителя, шума синхронизации телевизионной кадровой развертки (чтобы услышать его, разместите сигнальный провод позади телевизора) и общего сетевого шума. Наверное, самое сложное для определения.

Потрескивание (Crackle): Иногда потрескивания могут быть вызваны неисправным компонентом (транзистором, операционным усилителем и т.д.). «Сухие» («холодные») паяные соединения также являются хорошим источником потрескиваний, хлопков, пуканий и других шумов подобного типа.

Иногда (особенно в ламповых устройствах) потрескивания могут быть вызваны самими лампами или неисправным конденсатором. Обычно достаточно легко находятся, кроме потрескиваний и хлопков (и т.д.), которые почти никогда не возникают, если поблизости есть испытательное оборудование — такой у них подлый характер.

Искажения (Distortion): Чрезвычайно переменный вид шумов. Несколько наиболее распространенных типов:

• звук малого тока покоя (или «ступенька») похож на разрываемую бумагу и присутствует только при наличии сигнала. Усиливается по мере снижения уровня. Серьезное искажение каскада стабилизации тока покоя не дает усилителю воспроизводить что угодно, кроме пиков сигнала при его малой амплитуде;

• существует также много других форм искажений — искажение «детектирования» может произойти, если воспроизводится только половина сигнала, и характерно для силовых транзисторов с обрывом, неисправных драйверов или источников тока. Иногда бывает трудно услышать некоторые формы искажений (например, вызванные самовозбуждением усилителя).

Для обнаружения искажений, вызванных самовозбуждением необходим осциллограф — другого способа увидеть, что именно происходит с сигналом, нет.

Стук (Thump): Низкочастотный шум, часто при включении или выключении усилителя мощности (в частности). Обычно это проблема конструкции и большинство стук не вызывает беспокойства, если не используется усилитель, забивающий твитеры (ВЧ-динамики) в двух- или трехполосных колонках!

Чтобы избавиться от стуков, почти всегда потребуется реле задержки включения динамиков, поскольку единственной реальной альтернативой является переделка конструкции усилителя. Некоторые схемы на ОУ также постукивают (или потрескивают!) по мере нарастания или спадания напряжения питания.

Чириканье (Chirps): Некоторые усилители мощности (в частности, в некоторых случаях превосходные УМЗЧ) выдают «чириканье» или «птичий шум» при выключении. Подобно стукам и потрескиваниям, это проблема конструкции, которую очень трудно предотвратить. Если это действительно раздражает, то единственным реальным решением является реле отключения динамиков.

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.

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.

Рис. 4 Разомкнутая входная цепь ОУ

На Рис. 4 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.

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.

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)

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.

Рис. 5  Индикаторный усилитель

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.

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.

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.

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.

Рис. 6  Отслеживание (трассировка) схемы предусилителя (Проект № 88)

Выше на рис. 6 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.

Рис. 7  Отслеживание (трассировка) схемы кроссовера (Проект № 09)

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).

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.

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.

1  Короткие замыкания по питанию

Во-первых, давайте рассмотрим «закороченное питание». Чаще всего оно вызывается короткозамкнутым (-и) (пробитым (-и)) выходным (-и) или драйверным (-и) транзистором (-ами), но также может быть результатом любой из следующих неисправностей:

• неправильно установленные транзисторы — PNP вместо NPN (или наоборот) в выходном либо в драйверном каскаде;
• короткие замыкания между корпусом транзистора и радиатором из-за пробитой изолирующей прокладки;
• разомкнута цепь формирования тока покоя. Она состоит из транзистора и подстроечного резистора и формирует напряжение смещения, необходимое для поддержания тока через выходные транзисторы на уровне, позволяющем избежать искажений («ступеньки»). Неправильно установленный транзистор, неисправный (оборванный, с неправильным значением или неправильно настроенный) переменный резистор, «холодное» паяное соединение или оборванная дорожка могут привести к полному открытию выходных транзисторов при подаче питания. В некоторых конструкциях цепь смещения представляет собой просто два диода (или более), последовательно с которыми может быть также включен резистор;
• перемычки из припоя между дорожками или компонентами.

Первое, что нужно определить — является ли это короткое замыкание (К.З.) «грубым» или же «мягким». Грубое К.З. будет проявляться, как очень низкое сопротивление между шинами питания (менее 1 Ом) при измерении с помощью мультиметра без подачи напряжения питания. Грубые К.З. всегда указывают либо на пробитые транзисторы, мостики из припоя, либо на проколотые изолирующие прокладки.

Мягкое К.З. определяется по тому факту, что сопротивление, измеренное между шинами питания одна по отношению к другой, выходом и землей (нулем, общей шиной) не показывают очень низкого значения (меньше, чем (скажем) 650 Ом или около того). Значение сопротивления около 600-700 Ом может быть только в одном направлении (в действительности, это напряжение, которое падает либо на P-N переходах реальных диодов, либо на переходах транзисторов).

Сопротивление может быть либо одинаковым в обоих направлениях либо же намного выше в другом направлении — при всех таких испытаниях нужно менять полярность подключения щупов мультиметра, чтобы измерить оба направления. Если находится мягкое К.З., то почти наверняка есть компонент (силовой или драйверный транзистор), установленный неправильно. Однако, такой же эффект создаст и неисправная цепь установки тока покоя.

Если Вы можете изменять напряжение питания, то определите напряжение, при котором развивается мягкое К.З.. Очень редко мягкие К.З. имеют место при чрезвычайно низком напряжении (менее ± 1 или 2 В), но если это так, то что-то точно неправильно установлено.

См. ниже раздел «Тестирование компонентов». Описанные в нем методы идентифицируют 99 % всех проблем с мягкими К.З.

4 Спонтанные отказы

Усилитель работает некоторое время (от нескольких минут до нескольких недель), а затем работать перестает. Вы устранили почти все потенциальные ошибки конструкции, поскольку усилитель показал свою работоспособность. К сожалению, ситуацию это не спасает.

Одной из наиболее распространенных проблем в случае спонтанных отказов являются поддельные силовые транзисторы. См. статью «Поддельные транзисторы» для получения дополнительной информации по этой теме. Другие причины, которые следует искать:

• «младенческая смертность» — термин, обычно используемый для описания компонентов, которые выходят из строя через короткое время с момента первого использования устройства. Наиболее часто отказывают полупроводники, в частности, транзисторы или интегральные микросхемы, но могут отказывать также и другие компоненты (электролитические конденсаторы — редко, но случается, диоды, стабилитроны и т.д.). Отказы вследствие «младенческой смертности» не так редки, как хотелось бы, но все же относительно редки. Это совершенно нормально (хотя и сильно раздражает);
• «сухие» («холодные») паяные соединения — при первом тестировании, казалось, всё было в порядке, однако, после использования возникают отказы (отнюдь не редкость!);
• чрезмерное напряжение питания, вызывающее повреждение компонентов;
• неадекватный по площади радиатор, вызывающий перегрев компонентов;
• неправильно установлен ток покоя (слишком высокий), что вызывает перегрев;
• неправильно смонтированные силовые транзисторы с неадекватным тепловым контактом с радиатором;
• короткозамкнутые выходы, как правило, являются результатом недостаточной (или отсутствующей) изоляции, либо переподключения громкоговорителей ко включенному усилителю с наличием выходного сигнала — такого делать крайне не рекомендуется, даже если усилитель имеет защиту от короткого замыкания.

Поскольку большинство случаев спонтанных отказов приводят к короткому замыканию силовых транзисторов, их обычно легко найти с помощью мультиметра. Предохранитель(-и) усилителя могут перегореть, но транзисторы (подобно 3-футовым предохранителям) перегорят намного быстрее, чем любой обычный предохранитель.

Если перегорел плавкий предохранитель, примените надлежащие процедуры тестирования (ищите К.З. и т.п.), а не просто замените предохранители с надеждой, что все будет хорошо. Это случается редко, но обычно сопровождается дополнительными повреждениями (и для большего количества компонентов).

Для всех проектов на сайте «The Audio Pages» существуют довольно конкретные абсолютные максимальные напряжения питания и минимально допустимые сопротивления нагрузки (которые могут изменяться при подаче напряжения). Крайне важно придерживаться этой информации, в противном случае могут быть превышены характеристики отдельных устройств, что приведет к преждевременному отказу.

Ни один из проектных усилителей не предназначен для работы с нагрузкой 2 Ома и простое добавление параллельных выходных транзисторов (например) просто заставляет выйти из строя транзистор драйвера, а такой сбой почти всегда ведет к отказу выходного каскада.

Примечание. Следует отметить, что основным режимом отказа биполярных транзисторов является К.З.. Могут быть также транзисторы с обрывом, но такое происходит, когда замыкается накоротко транзистор в другом плече, после чего перегорают внутренние соединительные провода. В результате транзистор определяется, как находящийся в обрыве, однако кристалл кремния внутри транзистора поврежден коротким замыканием. Внешние предохранители для защиты транзисторов не предназначены — они предназначены для предотвращения катастрофических следствий поломок (в том числе пожара), если выходит из строя выходной каскад.

Когда нерабочими оказываются один или несколько выходных транзисторов, хорошей идеей является совет заменить их все, плюс драйверы, хотя может показаться, что они в порядке. Они почти наверняка были перегружены и могут быть более склонны к выходу из строя в более поздние сроки.

В некоторых случаях неисправность выходного каскада может также повредить транзистор каскада усилителя напряжения (и/или приемник/источник тока, если он имеется). При этом редко повреждается входной каскад, который обычно выдерживает даже самые разрушительные аварии.

Обратите внимание, что в некоторых случаях аварийный ток может быть настолько высоким, что в состоянии создать обрыв эмиттерных резисторов (как правило, не всех, но один или два могут выйти из строя). Если усилитель неисправен, всегда их проверяйте, желательно, после того, как выпаяны силовые и драйверные транзисторы.

Если причина неисправности не может быть точно отнесена к поддельным транзисторам (которые выйдут из строя при намного более низких уровнях мощности, чем подлинные), прежде чем перезапустить усилитель, попытайтесь точно определить, что же пошло не так.

2 Пример

Предположим на мгновение, что входной каскад выполнен по обычной дифференциальной схеме на паре NPN транзисторов (Q1 и Q2, рис. 1). Эмиттеры соединены вместе, возможно, с сопротивлениями небольшого значениями последовательно с каждым из них в некоторых конструкциях.

Напряжение на базах будет, вероятно, на несколько милливольт отрицательнее, а напряжение между базами и эмиттерами должно составлять около 650 мВ. В большинстве схем на коллекторах будет почти полное напряжение питания (хотя бывают и исключения). Если Вы увидите, что выходное напряжение «прилипло» к одному из напряжений питания, то это будет означать, что работа дифференциальной схемы нарушена и все напряжения неверны. Это может значить, что один из транзисторов данного каскада неисправен, хотя не исключено, что и нет!

Здесь Вам следует сыграть в детектива, чтобы выяснить, почему выход прилип к питанию (исключив все предыдущие типы неисправностей — неправильные компоненты, плохие паяные соединения и т.д.).

Следующим каскадом для тестирования является усилитель напряжения (Q5). Проверьте напряжение между базой и эмиттером и убедитесь, что оно составляет около 650 мВ. Если это так, то напряжение на коллекторе должно быть около нуля, но этого может и не быть.

Вместо этого Вы можете обнаружить, что напряжение на коллекторе равно (или близкое к) одному из напряжений питания. Посмотрите на схему предыдущего примера — усилитель напряжения на транзисторе PNP проводимости и на его коллекторе присутствует полное положительное напряжение питания. Это значит, что транзистор полностью включен … почему? И так ли это?

Следующий шаг — посмотреть на источники тока (Q3 и Q4). Между эмиттером и базой каждого из них должно быть 650 мВ или около того и ток через каждый легко определяется. Измерьте напряжение на каждом эмиттерном  резисторе — оно должно быть примерно …

На коллекторе Q3 должно быть около минус 700 мВ, а Q4 — около 0 В. Если это так, то усилитель должен работать. Если предположить, что на коллекторе Q5, а также Q4 присутствует почти полное напряжение питания, тому есть одна из двух причин: либо Q5 пробит (или полностью открыт), либо нет коллекторного тока.

Работа Q5 заключается в том, чтобы выходной сигнал имел плюсовое значение, когда он открыт и минусовое, когда закрыт. Однако, если с коллектора Q4 ток не поступает, то выходной сигнал будет оставаться близким к напряжению плюсового питания. Входной каскад попытается выключить Q5, но будет несбалансирован напряжением на входе обратной связи.

Таким образом, на коллекторе Q5 присутствует полное положительное напряжение питания, с отклонением в ту или иную сторону на вольт или около того (на данном этапе неважно). Напряжение на коллекторе Q4 должно быть примерно таким же, а ток должен составлять около 6,5 мА. Но погодите!

Если бы все работало так, как должно, усилитель был бы функционирующим, поэтому происходит что-то неладное — но мы это уже и так знали. Каково напряжение на коллекторе Q4? Является ли напряжение на резисторе эмиттера Q4 равным 0,65 В, как и должно было бы быть?

Если напряжение на коллекторе Q4 приближается к отрицательному напряжению питания или напряжение на его эмиттере намного ниже 0,65 В, то это значит, что коллекторная цепь Q4 оборвана — такое не является обычным отказом для биполярного транзистора, поэтому вполне вероятно, что имеется плохое паяное соединение в цепи коллектора Q4 (или, возможно, трещина на печатной плате).

Если напряжение коллектора близко к положительному источнику питания, то эмиттерный резистор мог бы быть оборван — возможно, из-за плохого паяного соединения, поскольку резисторы редко обрываются без большого количества дыма и обугливания. Внимательно проверьте его значение — не был ли по ошибке поставлен резистор на 100 кОм?

Рис. 2   Пример усилителя (P101)

На рисунке 2 показан пример, в данном случае на основе P101. Единственная разница между этим и любым другим усилителем — это выходные полевые МОП-транзисторы, но основные принципы работы идентичны. Вам нужен, в основном, мультиметр и закон Ома и совсем немного другого, чтобы проконтролировать и проверять напряжения и токи, которые должны существовать практически в любой конструкции усилителя, независимо от топологии.

Давайте посмотрим на схему выше. Напряжения показаны для каждой существенной точки схемы и из этих напряжений мы можем рассчитать ток через резисторы и многие транзисторы. В качестве примера R5 составляет 47 кОм, а R6 — 560 Ом. Падение напряжения на R6 составляет 0,65 В, потому:

• ток через R6 = V / R = 0,65 / 560 = 1,16 мА

• ток через Q1 = ток R6 / 2 (ток через каждый из транзисторов должен составлять 1/2 суммарного тока) = 0,58 мА

• ток через R5 = V / R5 = 56 / 47 кОм = 1,2 мА

Почему я не вычитал 1,3 В из напряжения питания? Ошибка очевидна, но в данном случае важно понимать, что точное значение несущественно. Важно то, что напряжения, токи и сопротивления имеют смысл. Это применимо ко всем частям схемы и есть одна вещь, в которой Вы должны быть уверены:

Если выходное напряжение не близко к нулю, то все другие напряжения, вероятно, будут неправильными!

Если выходное напряжение близко к нулю, то усилитель должен работать, если есть питающие напряжения.

По этой причине я вообще никогда не стремлюсь показывать напряжения в различных частях любой цепи, потому что напряжения будут корректными только в случае, если цепь работает правильно. Мне было бы глупо пытаться показывать значения напряжений для каждого сценария возможных сбоев и вся информация была бы абсолютно бесполезна.

В большинстве случаев можно проанализировать схему и вычислить вероятные напряжения, которые должны появляться в разных точках. Они не должны быть точными, но они должны иметь смысл. Не имеет смысла, если напряжение между базой и эмиттером транзистора составляет 15 В — это сразу указывает на то, что транзистор не того типа проводимости, неправильно установлен или неисправен.

Дважды проверьте техническое описание, затем замените его на новый правильного типа проводимости! Если Вы считаете, что транзистор установлен неправильно, то он, вероятно, уже повредился, как только было подано питание. Не используйте повторно поврежденные транзисторы — для них есть соответствующее место — мусорный ящик.

Анализ схемы для поиска неисправностей — непростая задача, но применяя логику и зная основные принципы, есть хороший шанс, что Вы эту проблему найдете. Отправлять мне сообщение: «Это не работает» бессмысленно — я не знаю, почему это не работает и один и тот же симптом может иметь множество возможных причин.

Напряжение на R6 составляет 0,65 В, а не 55,35 В. Последнее значение бессмысленно, потому что значение напряжения питания будет меняться по мере его считывания, а показания, вероятно, будут сильно ошибочными, из-за чего непригодны для использования. Аналогично считываются и многие другие значения.

8 заземление (зануление)

Это та область, где все разваливается вдребезги. Жужжание или гул — обычный симптом, но, к сожалению, для лечения этой проблемы нет никаких общепринятых правил, которые могли бы применяться во всех случаях.

Различие между «гулом» и «жужжанием» чрезвычайно важно! Если Вы описываете шум как гул, то кто-либо, компетентный в этой области, скорее всего, будет воспринимать его как «низкочастотные колебания без гармоник (или с их малым количеством)». Эта фраза описывает шум, создаваемый «земляной петлей», когда два или более элемента схемы соединены защитным заземляющим проводом и экраном межблочного соединения (к примеру), с образованием петли, на которой может наводиться очень низкое напряжение (но иногда удивительно большие токи) и этот сигнал воспринимается входами. Вы слышите гул — один низкочастотный тон.

«Жужжание» имеет в своем составе высокочастотные компоненты — обычно есть низкочастотный компонент, но он имеет жесткий призвук, который время от времени может быть даже слышим в ВЧ-динамиках (твитерах). Жужжание вызывается разнообразными причинами: из-за близкого расположения входных проводов к шнуру питания, силовому трансформатору или выпрямительному мосту (и соответствующим проводам), плохим или отсутствующим заземлением, земляными петлями (они могут вызывать как гул, так и жужжание). Список почти бесконечен.

В некоторых случаях спорадические колебания в усилителе также могут создавать гул или жужжание — следуйте приведенным выше рекомендациям, чтобы гарантировать, что усилитель стабилен при любых условиях. Обычно низкоуровневые колебания могут быть обнаружено только с помощью осциллографа, но их можно обнаружить также с использованием радиочастотного детектора — см. страницу проектов для подходящего примера.

Стандартное «лечение» почти невозможно порекомендовать при наличии любой из этих проблем. Решения различаются почти в каждом случае и иногда наилучший результат получается с устройством, которое не должно работать вообще. Мой обычный подход заключается в том, чтобы входные кабели держать на максимальном расстоянии от чего-либо еще, а для определения оптимального местоположения заземления я использую следующие методы:

• создайте «мягкое» заземление с помощью резистора на 10 Ом, обычно между входом усилителя и подходящим местом на шасси;

• подключите провод с зажимом «крокодил» на конце к точке заземления усилителя и проверьте им точки с наиболее низким уровнем шума — «звездная» точка заземления для фильтрующих конденсаторов, рядом с входными разъемами и т.д., пока не будет найдено самое тихое место. Просто надеюсь, что это не закончится нахождением какой-либо части Вашего собственного тела или тела кошки 🙂 ;

• найденную «сладкую точку» подключите постоянным соединением и проведите дополнительное тестирование, чтобы определить, нет ли какого-либо иного возможного способа улучшить ситуацию.

Этот метод обычно работает достаточно хорошо и, если Вы действительно найдете оптимальное местоположение, то чтобы услышать шум, Вам понадобится еще один усилитель. Нужно иметь возможность заземления конца входного шнура на любое другое Ваше оборудование без добавления шума, но всегда существует такая точка, что не имеет дальше смысла искать лучшую.

Если для того, чтобы что-то услышать, нужно приложить ухо прямо к громкоговорителю, то с точки обычного прослушивания будет фактически полная тишина. Дальнейшие улучшения не дадут никакой слышимой выгоды.

Примечание. Общей ошибкой (и отличным источником нежелательных шумов) является подключение проводов питания непосредственно к выпрямителю. Питание всегда следует снимать с фильтрующих конденсаторов, но никогда не с выпрямителя. Эти короткие провода будут вызывать серьезные шумы при потреблении тока усилителем и могут создать фоновую «дымку», которая слышится, как фоновый шум, но только тогда, когда усилитель играет! Это очень коварная ситуация, поскольку без сигнала усилитель кажется молчащим. Для поиска проблем подобного типа важное значение имеют осциллограф и/или измеритель искажений.

9 удаление дефектных компонентов

Как только Вы определили, что компонент неисправен (или возможно неисправен), его нужно удалить с печатной платы. Никогда не пытайтесь просто прогреть место пайки и убрать его с платы, а также не поддавайтесь искушению использовать отсос (или оплетку), чтобы удалить припой перед удалением компонента.

Это почти всегда приведет к повреждению контактных площадок и дорожек на печатной плате. Гораздо лучше использовать очень тонкий резак и сначала отрезать выводы деталей. Отрежьте их как можно ближе к поверхности печатной платы (для деталей как на стороне компонентов, так и на стороне меди — будьте осторожны, чтобы резак не повредил «пятачки» или дорожку!), а затем используйте отсос или оплетку для удаления оставшегося припоя и остатков запаянного компонента.

Чистота жала паяльника при выпаивании столь же важна, как и при пайке. Чистое (и правильно облуженное) жало требует меньшего нагрева и времени, чем загрязненное и, следовательно, уменьшает вероятность повреждения. В некоторых случаях для облегчения выпаивания может потребоваться добавить небольшое количество свежего припоя к существующему паяному соединению — важно поддерживать как можно более низкую температуру и максимально уменьшать количество операций отпаивания, чтобы предотвратить повреждение печатной платы.

Ничто из написанного выше не гарантирует, что плата не будет всё-таки повреждена, но вероятность такого повреждение гораздо меньшая. Если при выпаивании будет повреждена контактная площадка, то после выпаивания сменяемого компонента на нее больше не стоит полагаться.

Вместо этого подогните вывод компонента вплотную к печатной плате, непосредственно вдоль соответствующей дорожки (рекомендуется длина порядка 5 мм). Осторожно подпаяйте вывод к дорожке до получения прочного соединения. Теперь почти неважно наличие контактной площадки, главное — чтобы компонент был правильно подключен.

В случае, если от контактной площадки отходят несколько дорожек, убедитесь, что оставшаяся часть дорожки не повреждена — используйте для этого мультиметр!

Волосяные трещины

Трещины медных дорожек (волосяные трещины), вызванные повреждением печатной платы, довольно распространены и их очень трудно (иногда почти невозможно) увидеть. Гораздо легче сделать быстрое измерение во время ремонта, чем попытаться найти ошибку позже.

Наиболее распространенная причина дефектов печатной платы (отслоившиеся контактные площадки и дорожки, волосяные трещины и т.д.) — это чрезмерный нагрев и/или приложенное к ней усилие. Медь удерживается на подложке печатной платы клеем и их, способных выдерживать температуру пайки в течение любого периода времени, очень мало.