Pomiary napięć w diagnostyce elektroniki przemysłowej

Dlaczego pomiary napięć są ważne?

Pomiar napięcia jest jednym z podstawowych sposobów sprawdzania stanu elektroniki przemysłowej. Pozwala określić, czy poszczególne obwody otrzymują prawidłowe zasilanie oraz czy napięcia pozostają stabilne podczas pracy urządzenia.

Prawidłowa wartość napięcia w jednym punkcie nie oznacza jednak, że cały układ działa poprawnie. Konieczne jest sprawdzenie kolejnych gałęzi zasilania i porównanie wyników z dokumentacją lub wartościami występującymi w sprawnym urządzeniu.

Od czego rozpocząć pomiary?

Diagnostykę napięć warto rozpoczynać od głównego źródła zasilania i stopniowo przechodzić do kolejnych bloków elektronicznych.

W pierwszej kolejności należy sprawdzić:

• napięcie wejściowe,
• bezpieczniki,
• główne napięcia zasilające,
• napięcia obwodów pośrednich,
• napięcia pomocnicze,
• napięcia lokalne przy układach scalonych.

Takie podejście pozwala określić, w którym miejscu zanika prawidłowe zasilanie.

Pomiar napięcia wejściowego

Pierwszym krokiem jest sprawdzenie, czy urządzenie otrzymuje właściwe napięcie zasilające.

Należy zweryfikować jego wartość oraz stabilność podczas pracy.

Nieprawidłowe napięcie wejściowe może być skutkiem:

• problemów z instalacją,
• uszkodzonego przewodu,
• luźnych zacisków,
• niesprawnego zabezpieczenia,
• przeciążenia źródła zasilania.

Dopiero po potwierdzeniu prawidłowego napięcia wejściowego warto przechodzić do diagnostyki wewnętrznej elektroniki.

Napięcia po prostowaniu

W urządzeniach wyposażonych w zasilacz impulsowy lub obwód prostowniczy istotne jest sprawdzenie napięcia występującego za prostownikiem.

Pomiar może dostarczyć informacji o stanie:

• mostka prostowniczego,
• bezpieczników,
• obwodu ładowania,
• kondensatorów,
• połączeń zasilających.

Brak prawidłowego napięcia w tym miejscu może wskazywać na problem w części wejściowej urządzenia.

Napięcia układów zasilania

Współczesne urządzenia automatyki często wykorzystują kilka napięć pomocniczych.

Mogą one zasilać między innymi:

• procesor,
• pamięć,
• układy komunikacyjne,
• sterowniki bramek,
• układy pomiarowe,
• moduły wejść i wyjść.

Brak jednego z napięć może unieruchomić tylko określoną funkcję urządzenia, dlatego warto kontrolować wszystkie istotne gałęzie zasilania.

Pomiary stabilizatorów

Stabilizatory odpowiadają za uzyskanie określonych napięć potrzebnych dla elektroniki cyfrowej i analogowej.

Podczas diagnostyki należy sprawdzić:

• napięcie wejściowe stabilizatora,
• napięcie wyjściowe,
• różnicę pomiędzy wejściem i wyjściem,
• temperaturę elementu.

Jeżeli na wejściu stabilizatora występuje prawidłowe napięcie, a na jego wyjściu jest ono znacznie obniżone lub nie występuje, należy sprawdzić zarówno sam stabilizator, jak i obciążenie danej gałęzi.

Pomiary przetwornic DC/DC

Przetwornice DC/DC są często wykorzystywane do generowania lokalnych napięć zasilających.

Podczas diagnostyki należy sprawdzić:

• napięcie wejściowe,
• napięcie wyjściowe,
• napięcia układu sterującego,
• elementy mocy,
• temperaturę,
• stabilność napięcia pod obciążeniem.

Uszkodzona przetwornica może powodować wiele pozornie niezwiązanych ze sobą objawów.

Spadki napięcia

Nieprawidłowość nie zawsze polega na całkowitym zaniku napięcia.

Spadek napięcia może wskazywać na:

• przeciążenie,
• uszkodzenie zasilacza,
• zwiększoną rezystancję połączenia,
• uszkodzony przewód,
• wadliwy element półprzewodnikowy,
• nadmierny pobór prądu przez odbiornik.

Szczególnie wartościowy jest pomiar podczas pracy urządzenia, ponieważ część problemów pojawia się dopiero pod obciążeniem.

Napięcie prawidłowe bez obciążenia

W przypadku niektórych usterek napięcie może być prawidłowe przy braku obciążenia, ale spadać po uruchomieniu urządzenia.

Taki objaw może wskazywać na:

• niewydolność przetwornicy,
• uszkodzone kondensatory,
• przeciążenie,
• zwarcie częściowe,
• problem z elementem mocy.

Dlatego pomiary powinny być wykonywane w różnych stanach pracy urządzenia.

Pomiar napięcia względem masy

W elektronice przemysłowej punkt odniesienia dla pomiaru musi być dobrany odpowiednio do analizowanego obwodu.

Należy określić, czy pomiar wykonujemy względem:

• masy elektroniki,
• masy sygnałowej,
• punktu odniesienia układu,
• szyny DC,
• przewodu ochronnego.

Nieprawidłowo dobrany punkt odniesienia może prowadzić do błędnej interpretacji wyniku.

Pomiary napięć na układach scalonych

Podczas diagnostyki można sprawdzać napięcia zasilające procesory, pamięci, transceivery i inne układy scalone.

Pozwala to określić, czy dany komponent otrzymuje wymagane zasilanie.

Jeżeli napięcie jest nieprawidłowe, należy najpierw zbadać źródło zasilania, zamiast od razu zakładać uszkodzenie układu scalonego.

Pomiary napięć na płytce PCB

Pomiar bezpośrednio na płytce PCB pozwala śledzić drogę zasilania pomiędzy kolejnymi blokami.

Można w ten sposób określić:

• miejsce zaniku napięcia,
• uszkodzoną gałąź zasilania,
• zwarcie,
• uszkodzony stabilizator,
• przerwę w ścieżce,
• problem z połączeniem.

Przydatne jest rozpoczęcie pomiarów od punktów zasilania i przechodzenie w kierunku odbiorników.

Napięcia a uszkodzone kondensatory

Zużyty kondensator może powodować prawidłową wartość napięcia średniego, ale jednocześnie zwiększone tętnienia lub krótkotrwałe spadki.

Dlatego w przypadku trudnych do wykrycia usterek sam pomiar napięcia multimetrem może nie być wystarczający.

W takich sytuacjach pomocny jest oscyloskop.

Pomiary napięcia oscyloskopem

Oscyloskop pozwala obserwować napięcie w czasie i wykrywać zjawiska niewidoczne podczas pomiaru multimetrem.

Można analizować:

• tętnienia,
• chwilowe zaniki napięcia,
• przepięcia,
• zakłócenia,
• przebiegi przetwornic,
• sygnały sterujące.

Jest to szczególnie przydatne w przypadku usterek okresowych oraz problemów pojawiających się podczas obciążenia.

Porównanie napięć ze sprawnym urządzeniem

Jeżeli dostępne jest identyczne, sprawne urządzenie, porównanie napięć może znacznie przyspieszyć diagnostykę.

Warto porównać:

• napięcia główne,
• napięcia lokalne,
• napięcia procesora,
• napięcia pamięci,
• napięcia interfejsów,
• napięcia obwodów analogowych.

Różnica pomiędzy sprawnym i uszkodzonym urządzeniem może wskazać miejsce wymagające dalszego sprawdzenia.

Dokumentowanie wyników

Podczas diagnostyki warto zapisywać wyniki pomiarów.

Przydatne jest określenie:

• punktu pomiarowego,
• zmierzonej wartości,
• warunków pracy,
• wartości oczekiwanej,
• różnic względem poprzednich pomiarów.

Dokumentacja pomiarów ułatwia analizę bardziej złożonych usterek oraz weryfikację naprawy.

Bezpieczeństwo podczas pomiarów

Pomiary elektroniki przemysłowej mogą obejmować obwody pracujące przy niebezpiecznych napięciach.

Szczególną ostrożność należy zachować podczas pracy z:

• napięciem sieciowym,
• obwodami DC BUS,
• kondensatorami magazynującymi energię,
• stopniami mocy,
• urządzeniami bez izolacji galwanicznej.

Do każdego pomiaru należy dobrać odpowiedni przyrząd oraz metodę pomiarową.

Podsumowanie

Pomiary napięć są jednym z podstawowych narzędzi diagnostyki elektroniki przemysłowej. Systematyczne sprawdzanie napięcia wejściowego, obwodów pośrednich, stabilizatorów, przetwornic oraz lokalnych napięć zasilających pozwala określić miejsce występowania problemu.

W przypadku usterek okresowych lub trudnych do wykrycia warto uzupełnić pomiary multimetrem o obserwację przebiegów oscyloskopem. Dzięki temu można wykryć nie tylko brak napięcia, ale również jego niestabilność, tętnienia i chwilowe zakłócenia.