Недавно меня попросили отремонтировать несколько модулей управления нагрузкой одной промышленно выпускаемой системы автоматики. Я не буду называть, что это за система, кто ее изготавливает, где она установлена (просто не имею на то права). Но производится она далеко не в единичных экземплярах. Вообще то, такие ремонты не моя область деятельности (я занимаюсь разработкой), но это был хороший знакомый и я не стал отказываться.
Вот очень сильно упрощенная схема одного из каналов управления и измерения этих модулей (восстановлена по печатной плате). В частности, не показаны элементы защиты.
Неисправность была очень простой, выгорали резисторы, обозначенные на схеме как R1. Это были SMD резисторы типоразмера 0603, которые могут рассеивать до 0.1 Вт. В некоторых случаях они не полностью выгорели, а были очень сильно перегреты, что вызвало существенный рост их сопротивления. Заменить резисторы труда не составило, но после этого возник вопрос - почему же это произошло? Ведь режим эксплуатации не выходил за допустимые границы.
Разбирать причины буду очень подробно. Даже, пожалуй, слишком подробно. Цель - не только показать, что и профессиональные разработчики и производители допускают ошибки, но и сделать объяснение понятным для начинающих и неопытных любителей электроники.
Ошибка и ее причины
Давайте посмотрим внимательнее на схему. Принцип ее работы прост. На выход, а значит, на нагрузку, подаются различные уровни напряжения, а ее реакция измеряется и передается для анализа в модуль процессора. Сама нагрузка, конечно, не является резистором. Собственно, это датчик, который и питается, и управляется, от тех самых модулей, которые принесли в ремонт. Датчик реагирует на внешние воздействия (самые разные, датчики бывают разные), что и является объектом измерения. При этом датчики-нагрузки подключаются через довольно длинные линии связи (несколько сотен метров).
Транзистор VT2 может показаться лишним, но это не так. И линия связи и датчик обладают реактивной составляющей, влияние которой этот транзистор и устраняет.
Глядя на схему можно сразу заметить, что она очень похожа на обычный двухтактный усилитель низкой частоты. А такие усилители и применяются широко, и изучены до мельчайших подробностей. Видимо, так и думали разработчики этого модуля, поэтому не уделили достаточного внимания анализу схемы. И допустили ошибку! Причем из разряда "детских". Какую? А вот с этим давайте и будем разбираться.
В нормальном состоянии ток в цепи датчика-нагрузки не превышает нескольких мА. Документация на систему говорит, что при коротком замыкании датчика ток в цепи не превысит 250 мА, а значит короткое замыкание, пусть и кратковременное (3 секунды, по документации) является допустимым, хоть и нежелательным, событием. Кроме того, есть датчики потребляющие 100-150 мА. Но и неисправность датчика исключать нельзя. Кстати, подключать и отключать датчики можно не выключая систему.
Давайте сначала разберемся с режимом короткого замыкания. Самым тяжелым случаем будет формирование на выходе максимального напряжения, когда транзистор VT1 открыт и насыщен. При этом выходной ток канала модуля будет ограничен напряжением питания (с учетом падения напряжения на насыщенном транзисторе VT1) и сопротивлением последовательно включенных резисторов R2 и R3. Этот ток будет примерно равен (24-0.7)/(91+10)=230 мА. Конечно, если линия связи длинная, а замыкание произошло возле самого датчика, то нужно учитывать и сопротивление линии, но предположим, что замкнуты оказались прямо выходные контакты модуля. Транзистор в модуле выбран с большим запасом по току коллектора и мощности рассеивания, поэтому ток 230 мА при коротком замыкании ему не страшен.
А вот резистору R1 он смертелен. Почему? Ведь УНЧ с такими каскадами успешно работают. Обратите внимание на резистор R2 установленный в цепи коллектора транзистора VT1! Такого включения резисторов нет в типичных выходных каскадах УНЧ! Давайте для удобства анализа упростим схему.
Здесь Rн это общее сопротивление нагрузки и резистора R3. Похоже на схему включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный повторитель)? Да, если не считать резистора R2, о котором и пойдет речь. Именно так, скорее всего, и посчитали разработчики. Поэтому сочли, что ток в цепи базы транзистора будет в h21э раз меньше, чем в цепи нагрузки. Для используемого в модуле транзистора среднее значение h21э составляет 200 (при токе до 700 мА), что дает ток базы (для обычного эмиттерного повторителя), при коротком замыкании выхода, чуть более 1 мА. А это дает рассеиваемую на резисторе R1 мощность немногим более 0.1 мВт. Но так ли это в данной схеме?
Предположения разработчиков будут верны, если резистор R2 отсутствует. Рискну предположить, что R2 появился для ограничения выходного тока на последних этапах разработки, поэтому и выпал из анализа и расчета схемы. Но R2 вносит серьезные коррективы в поведение схемы, когда его сопротивление соизмеримо или меньше сопротивления нагрузки.
Высокое входное сопротивление эмиттерного повторителя объясняется тем, что потенциал эмиттера почти в точности повторяет потенциал базы. А вот R2 этому препятствует. Я уже указывал ток, который будет протекать через выход (фактически, через резистор R3) при его коротком замыкании. При этом на R3 падение напряжения составит лишь 2.3 В (максимум). А если схема управления пытается сформировать на выходе 24 В (основное напряжение на выходе при работе схемы) и подает на базу транзистора через резистор R1 такое напряжение? Потенциал базы не поднимется более чем 0.7 В (примерно) выше потенциала эмиттера. А значит, через R1 потечет куда больший ток, чем при штатной работе схемы! При этом ток базы уже будет давать ощутимый вклад в ток эмиттера. Фактически, схему можно будет представить так
Только Rн будет равно не 0, а 10 Ом, то есть, сопротивлению резистора R3. И ток базы, если его рассчитать, составит примерно 165 мА. При этом на R1 будет рассеиваться примерно 2.7 Вт! А это в 27 раз превышает допустимую для резистора типоразмера 0603 мощность. Не удивительно, что он выгорает полностью! При этом для транзистора допустим ток базы до 200 мА, значит он не пострадает.
Моделирование схемы с ошибкой
Проиллюстрирую это моделированием вот такой эквивалентной схемы
Здесь PM1 измеряет рассеиваемую на R1 мощность, а АM1 ток базы транзистора. VG1 генерирует напряжение треугольной формы от 1 до 22 В частотой 1 Гц. VS1 является источником напряжения +24 В питающего схему. R4, в данной схеме, представляет собой сопротивление нагрузки (0 - короткое замыкание). Вот результат моделирования
Если схема управления попытается установить на выходе напряжение более 3.8 В, то для R1 будет превышена допустимая мощность рассеивания.
А если выход будет не замкнут, а перегружен? Например, сопротивление (эквивалентное) нагрузки будет 100 Ом, что даст максимальный ток через нее порядка 120 мА. Не буду повторять схему модели, она отличается только номиналом резистора R4 (100 Ом, вместо 0). Вот результат моделирования
Как видно, ток через R1 составил чуть менее 50 мА, что дает рассеиваемую мощность порядка 230 мВт. Это не приведет к выгоранию резистора, но он будет перегреваться. А это, рано или поздно, потребует его замены.
Не буду приводить результат моделирования для нормального тока потребления нагрузки. Скажу только, что если эквивалентное сопротивление нагрузки 200 и более Ом, то режим работы становится штатным.
Небольшой промежуточный итог
Итак, я показал, почему резистор выходит из строя. Выгорает, при коротком замыкании. Перегревается при повышенном (но допустимом( токе потребления. Причина в ошибке разработчиков, которые не учли влияние резистора R2 и, по этой причине, не предусмотрели отключение выходного каскада, так как ток является допустимым (по документации на систему).
А как правильно?
Хорошо, а как же тогда сделать правильно? Простейший способ - перенести резистор R2 из коллекторной цепи VT1 в эмиттерную. Вот так
При этом выходной каскад действительно станет эмиттерным повторителем. Давайте посмотрим на эквивалентную схему и промоделируем ее работу
Вот результат моделирования
Разница заметна невооруженным глазом. Ток через резистор R1 чуть более 1 мА, а мощность рассеиваемая на нем порядка 0.1 мВт. И резистор никогда не выйдет из строя. А все параметры модуля сохранятся.
Все таки, они что то подозревали
Кстати, в модуле использован мощный ОУ с допустимым выходным током 1А. Но он не требуется, на самом то деле, если просто перенести резистор в цепь эмиттера. Поэтому разработчики не только допустили схемотехническую ошибку, но и упустили возможность снизить свои затраты на производство.
Заключение
Человеку свойственно совершать ошибки. В этот раз ошибся профессиональный разработчик. Кстати, схемотехнических ошибок в этой системе оказалось на удивление много, не только в рассматриваемых модулях. Сам экземпляр системы был изготовлен в 2010 году, но часть модулей заменялась во время эксплуатации. Поэтому мне попались и модули с датой изготовления конца 2013 года. Вполне возможно, что описываемая ошибка была впоследствии устранена разработчиком и изготовителем.
Описанная ошибка не приводила к выходу модулей из строя с вероятностью близкой к 100%, иначе ее бы быстро устранили. Но эта ошибка делала эксплуатацию системы слишком жесткой, даже при соблюдении штатных, описанных в документации, режимов.
Я не хочу думать, что эта ошибка, и другие мной замеченные, были внесены намеренно, что бы эксплуатанты системы чаще обращались к производителю за ремонтом. Я привык думать о людях, и компаниях, хорошо. Но количество найденных мной в этой системе ошибок и шероховатостей, только схемотехнических, меня немного шокировало.