Ден Томел, Нил Уидмер

«ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОНИКЕ»

Благодарности

Нашим отцам: Раймонду Томелу (Raymond Tomel) и Эдварду Уидмеру (Edward Widmer), двум талантливым, специалистам по поиску неисправностей, которые научили нас практической стороне ремонта электроники. Они могли починить все что угодно и вдохнули в нас желание быть похожими на них.

Нашим женам: Аннете (Annette) и Кристине (Kristine).

Нашим детям: Джонатану (Jonathan), Стефани (Stephanie) и Джастину (Justin) Джону (John), Бредли (Bradley), Блейку (Blake), Мэтью (Matthew) и Кати (Katie)

Авторы хотели бы поблагодарить многие организации и людей, которые внесли вклад в создание этой книги. Аннет Томел (Annette Tomal) и Кристин Уидмер (Kristine Widmer) за литературную обработку материала, Али Эмади (Ali Emadi), Кевина Зака (Kevin Zak), Джорджа Хамстра (George Hamstra), Марка Коэна (Mark Cohen), Ричарда Смита (Richard Smith), Кейт Макки (Keith McKee), Майка Бермана (Mike Berman), Эда Слопсема (Ed Slopsema), Джона Киддера (John Kidder), Карен Ванингер (Karen Waninger), Харри Бледсо (Harry Bledsoe) и персонал больницы Св. Елизаветы за их сотрудничество при фотографировании новейшего биомедицинского оборудования и предоставлении самой современной информации. Мы также благодарим Джонатана Томела (Jonathan Tomal) за его чертежи и Эда Уидмера (Ed Widmer) за технический обзор к главе 6.

Мы хотели бы выразить свою благодарность компаниям, которые предоставили сведения и иллюстрации: Zenith Video Tech Corporation, Winegard Company, KB Electronics Inc., Reliance Electric Company, Lexsco Inc., B&B Motor and Control Corporation, Tektronix Inc., AVO International, Simpson Electric Company, John Fluke Mfg. Co. Inc., Hewlett-Packard Company, Bodinc Electric Company, Superior Electric, Allen-Bradley Company, Square D Company, Chapman Electric Works, Etcon Corp., Globe Products Inc., Leader Instruments Corporation, Franklin Electric Company, Marathon Electric Company, Texas Instruments Inc., General Electric Company, IBM Inc., St. Elizabeth Hospital, G.E. Medical Systems, Telex Communications Inc., Howard W. Sams & Co., Electric Power and Power Electronics Center (Illinois Institute of Technology), NetGain Technologies, LLC, Maxwell Technologies, Rich-Mar Corporation.

Предисловие

Область технического обслуживания и поиска неисправностей электронных устройств настолько широка, что ее рассмотрение является очень серьезным вызовом для любого автора. Это работа профессоров Дена Томела (Dan Tomal) и Нила Уидмера (Neal Widmer) является ясным, кратким, обстоятельным вариантом ответа на него. Авторы книги прежде всего подчеркивают важность базовых технологий. По мере углубления в материал они рассказывают о деталях процесса, формируя и совершенствуя знания и умения читателя.

Данный учебник будет полезен преподавателям и инструкторам по электронике в самых различных образовательных учреждениях. Примеры демонстрируют практическое использование материала и описаны очень подробно, что делает книгу легкой для чтения и использования в качестве руководства.

Краткий обзор содержания и образцы в тексте убедят даже самого осторожного пользователя, что это именно та книга, которая ему нужна. Помимо того, что издание является прекрасным средством для работы в классе, каждый практикующий специалист оценит его достоинства в качестве надежного справочного пособия.

Ларри Д. Хоффман (Larry D. Hoffman),

руководитель департамента электрических технологий университета Пурдю

Введение

Третье издание было переработано с учетом последних методов поиска неисправностей. Пособие будет полезно многим: от выпускников техникума до студентов старших курсов технических, торговых и промышленных учебных заведений. От техников, работающих в области обслуживания, до любителей и учащихся курсов повышения квалификации.

Книгу могут использовать также инженеры или техники в качестве повседневного руководства при поиске неисправностей широкого спектра электронных и электрических приборов. Читателям желательно иметь базовые знания в этой области.

Уникальным достоинством данного издания является то, что оно объединяет базовую теоретическую и практическую информацию, касающуюся поиска неисправностей самых разных устройств, избавляя от необходимости иметь несколько книг. Авторы весьма детально изложили материал с практических позиций, включив множество таблиц, схем, иллюстраций, графиков и диаграмм для эффективного поиска неполадок. В тексте содержатся многочисленные практические правила и профессиональные хитрости, накопленные авторами за несколько лет работы в качестве специалистов и консультантов, которые помогут вам сэкономить время.

Методика изложения сочетает традиционные принципы обучения с когнитивными, эмоциональными и психомоторными механизмами восприятия, что позволяет облегчить усвоение материала.

В книге речь пойдет об электротехническом оборудовании (двигателях, устройствах управления, электропроводке) и современных технологиях (компьютерах, микропроцессорах). Рассмотрено также новое биомедицинское оборудование. Тематический указатель позволит читателю быстро обратиться к интересующему его вопросу.

Изложение материала ведется от простого к сложному, начиная с объяснения базовых аспектов анализа при поиске неисправностей и обозрения общеизвестных изделий до более сложных и продвинутых технологий.

В 1 главе рассмотрены основные принципы и методы поиска неисправностей электронных и электрических устройств и даны теоретические основы и способы тестирования наиболее часто встречающихся элементов: конденсаторов, резисторов, индуктивностей, диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных микросхем. Авторы коснулись также практического подхода к решению проблем. Ими указаны различные типы повреждений, которые обычно встречаются в современных электронных устройствах.

Во 2 главе читатель найдет полезный для практиков обзор современного диагностического оборудования, которое используется при поиске неисправностей современных электронных и электрических устройств и приборов.

Рассматриваются такие широко используемые приборы, как ампервольтомметр, мультиметр с большим входным сопротивлением, цифровой мультиметр, осциллограф, а также специализированные тестирующие приборы: мегомметр, цифровой логический пробник, оптический рефлектометр, анализаторы электрических схем, спектра и формы сигнала.

В главе 3 излагается базовая теория работы, а также ремонта электродвигателей и генераторов — сердца современного промышленного оборудования. В числе прочих рассмотрены электродвигатели: с расщепленными полюсами, конденсаторный, трехфазный, репульсионный, универсальный, синхронный и все более популярный шаговый, который используется в системах с цифровым управлением.

В главе 4 объясняются основные принципы применения и обслуживания промышленных устройств управления. Представлено несколько контроллеров: пускатель с ручным управлением, электромагнитный пускатель с защитным отключением при превышении тока нагрузки, пневматическое реле времени, биметаллическое термореле защиты от превышения тока нагрузки, барабанный переключатель, привод с электронным управлением и программируемый контроллер.

Глава 5 касается поиска неисправностей электропроводки бытового и промышленного назначения. Объясняются основы теории и принципы устройства электропроводки, затем рассматривается поиск неисправностей распределительных щитов, переключателей на три и четыре направления, соединений звездой и треугольником, многофазной проводки промышленного назначения, распределенных систем антенн и телевидения.

Глава 6 охватывает сферу радио и телевидения. Она начинается с теории, описания компонентов схем с амплитудной модуляцией AM, с частотной модуляцией ЧМ, частотной модуляцией с уплотнением и телевидения. Далее описаны основные проблемы, а также методы тестирования и ремонта этих устройств.

Глава 7 вводит читателя в современный мир цифровых схем, охватывая основы цифровой логики, типы корпусов и устройств, методы тестирования цифровых схем. Рассмотрены различные действия с ИС (уход, обращения, снятие, замена), а также характеристики схем с малой степенью интеграции.

В главе 8 рассматриваются последовательные цифровые схемы. Обсуждаются цифровые системы, дешифраторы, шифраторы, триггеры, триггеры-защелки, счетчики, регистры, формы сигналов, сравнительные характеристики параллельной и последовательной передачи данных, различные способы поиска повреждений для схем со средней степенью интеграции и схем на основе триггеров.

Глава 9 предоставляет основополагающие сведения о микрокомпьютерах. Рассматривается центральный процессор (ЦП), память, устройства ввода/вывода, шины, машинные языки, синхронизация. Здесь говорится о повреждениях персональных компьютеров, работающих в DOS. Авторы уделили внимание поиску неисправностей микропроцессорных систем.

В главе 10 рассматривается очень интересная область. Принципы, применение и диагностические процедуры для ремонта и калибровки медицинского диагностического и терапевтического оборудования и приборов: рентгеновских аппаратов, сканеров, средств наблюдения в области сердечно-сосудистой и неврологической медицины. Эта глава также затрагивает вопросы карьеры техника медицинского оборудования в больнице.

Авторы верят, что эта книга будет для вас полезной и познавательной, а также углубит знания и умения ваших студентов в интересной и очень важной области.

Глава 1

Принципы сервисного обслуживания

Карьера в сфере сервисного обслуживания электрических и электронных устройств может быть финансово привлекательной и приносить подлинное удовлетворение от работы. Эксперт обладает уникальным набором знаний в области электронной теории, техники решения проблем и квалификации в выполнении работ. Большинство электронных изделий и приборов содержат такие сходные элементы, как резисторы, конденсаторы, диоды, транзисторы, выводы, разъемы, провода. Понимание причин стандартных поломок этих элементов и способов их тестирования является необходимой предпосылкой для специалиста. В этой главе вы научитесь основам анализа решения проблем, узнаете распространенные неполадки и основные процедуры проверки работоспособности наиболее часто встречающихся электрических и электронных компонентов.

Анализ решения проблем

Прежде чем пытаться обслуживать прибор, вы должны сначала разработать концепцию решения проблем и применить ее к поиску неисправностей и ремонту. Первоначальный план действий таков:

1. Анализ ситуации.

2. Определение причин возникновения проблемы.

3. Принятие решения.

Вы должны поступать именно в таком логическом порядке, в противном случае могут возникнуть ошибки, несчастные случаи, потери времени и лишние расходы. Например, многие специалисты по ремонту, обнаружив сгоревший предохранитель, просто заменяют его, вместо того, чтобы сначала определить причину возникновения проблемы. В результате может сгореть и следующий предохранитель.

Поэтому первым шагом в обслуживании устройства является анализ ситуации. Он предполагает критический обзор и всестороннее исследование возникшей проблемы, что позволяет специалисту понять причины, которые не позволяют прибору правильно работать. Это определяется простым осмотром общего состояния устройства.

Начните этот этап, задав вопросы заказчику и проведя наблюдения по следующим пунктам:

1. Обсудите дефект с владельцем или пользователем.

2. Сравните проблему с другими из вашего прошлого опыта.

3. Может быть, неисправности и нет, а имеет место ошибка пользователя.

4. Определите различия между текущим состоянием устройства и тем, которое должно быть при правильной работе.

5. Оцените ситуацию в целом, отметив симптомы и необходимые изменения.

Определение причин возникновения проблемы вступает в силу, когда наблюдается отклонение от стандартного или желаемого состояния устройства.

Примером является неправильно функционирующее или неработающее устройство. Поиск неисправностей представляет собой процесс определения причин проблемы. Первым шагом является организация работы. Начните с подготовки соответствующих схем, спецификаций производителя и руководств по техническому обслуживанию, инструментов и оборудования. Не старайтесь сократить этот этап, бросаясь сразу работать и тратя много времени на исправление устройства, в то время как простое чтение руководства по техническому обслуживанию может способствовать скорейшему решению проблемы. Другими словами, кто провалил этап планирования, тот гарантировал провал на пути устранения неполадок. Когда вы подготовились, выполните следующие операции:

1. Опишите проблему.

2. Сравните ситуацию с условиями работы устройства до возникновения неисправности.

3. Опишите такие различия, как симптомы, шумы, запахи, которые были замечены при возникновении дефекта.

4. Сравните: что есть и чего нет. Какие компоненты в порядке, а какие нет, и до какой степени они дефектны.

5. Проанализируйте разницу с помощью тестирования, обращая особое внимание на неочевидные и непрямые связи. Например, небольшие изменения допусков элементов или цвета могут указывать на причину неисправности.

Когда вы определили истинную причину возникновения проблемы, то готовы перейти к заключительной фазе, которая называется «принятие решений».

На этом этапе специалист рассматривает различные варианты решения проблемы и выбор наилучшего. Например, если выяснено, что причиной неполадок стал электродвигатель, может быть несколько способов исправления. В зависимости от условий работы всей системы в целом можно починить двигатель или поставить новый той же модели. Третий вариант: выбрать более современную версию двигателя. Принимая решение, вы должны обратить внимание на преимущества и недостатки каждого способа. Планирование действий при аварийной ситуации учитывает будущие изменения всей системы: ожидаемый срок службы, условия работы и внесенные изменения. Например, может быть не совсем разумно ставить новый двигатель, если вся система в скором времени морально устареет и, в любом случае, будет заменена.

Помните о необходимости всегда выполнять все три фазы: ситуационный анализ, определение причин возникновения проблемы (поиск неисправностей) и принятие решения (ремонт). Для того чтобы стать умелым экспертом необходимо понимать важность этой последовательности и не изменять ей.

Неисправности схем

Большинство людей хотели бы, чтобы электрические и электронные изделия были гарантированно предохранены от неисправностей, но, к несчастью, это невозможно. Вероятно, большинство поломок — прямо или косвенно — возникают в результате неправильного использования или неудовлетворительного технического обслуживания.

Электрические или электронные неисправности можно классифицировать по основным причинам их возникновения следующим образом:

♦ тепло:

♦ влага;

♦ грязь и загрязнения;

♦ ненормальное или излишнее перемещение;

♦ неправильная установка;

♦ производственные дефекты;

♦ животные и грызуны.

Когда электронные приборы подвергаются слишком сильному тепловому воздействию, возникают проблемы. Тепло увеличивает сопротивление некоторых элементов схем, что в свою очередь приводит к возрастанию тока. Высокая температура заставляет материалы расширяться, высыхать, трескаться, вздуваться и изнашиваться гораздо быстрее, и, рано или поздно, устройство выйдет из строя.

Влага вызывает больший ток в цепях и может привести к поломке элементов. Вода и другие жидкости вызывает расширение, деформацию, ускоренный износ материалов и аномальный ток (короткие замыкания).

Грязь, дым, испарения, абразивные материалы, сажа, жир, масла приводят к тому, что электронные устройства засоряются и покрываются липким налетом, начинают работать в ненормальном режиме и затем выходят из строя.

Чрезмерные и не соответствующие рекомендованным условиям эксплуатации перемещения устройства и вибрации могут вызвать его поломку.

Неправильная установка часто является результатом работы неквалифицированного или невнимательного специалиста. Недостаточно затянутый винт или неправильное паяное соединение могут вызвать преждевременный выход прибора из строя. Производственные дефекты также очень распространены. Например, уже после доставки и установки оборудования нередко обнаруживается незакрепленная монтажная плата. Отгрузка и транспортировка могут нарушить крепление или вызвать повреждение компонентов устройства.

Животные и грызуны могут явиться причиной электрических и электронных неисправностей. Например, крыса может разгрызть провод или пробраться внутрь двигателя.

Очень важно, чтобы каждый специалист по поиску неисправностей понимал четыре основные причины поломок схем:

♦ короткое замыкание;

♦ обрыв в цепи;

♦ замыкание на землю;

♦ механический дефект.

В основном короткое замыкание возникает тогда, когда ток находит прямой путь. Например, короткое замыкание электродвигателя вызывается дефектом двигателя, при котором два провода схемы замыкаются и создают для тока путь обхода нормальной цепи.

Короткое замыкание, вызванное уменьшением сопротивления цепи, приводит к возрастанию тока. Типичные признаки короткого замыкания следующие:

♦ сгоревшие предохранители;

♦ нагрев;

♦ низкое напряжение;

♦ большой ток;

♦ дым.

Обрыв цепи размыкает электрический контур схемы. Например, разомкнутая цепь, содержащая электродвигатель, может иметь обрыв в обмотке, не позволяющий току совершить замкнутый путь в общей цепи. Цепь теоретически будет иметь бесконечное (неограниченное) сопротивление и нулевой ток, поскольку путь заряженных частиц разорван. Типичными признаками этого являются:

♦ бесконечное сопротивление;

♦ нулевой ток;

♦ неработающее устройство.

Замыкание на землю возникает, когда неправильное размещение или изолирование компонента заставляет ток течь по непредусмотренному пути и приводит к тому, что образуется контакт части обмоток с металлическим корпусом двигателя. Данное явление теоретически аналогично короткому замыканию, но имеет другие характеристики. В общем, короткое замыкание приводит к остановке работы устройства и выключает автоматический прерыватель по причине непосредственного образования обходного пути для тока. При замыкании на землю устройство часто сохраняет работоспособность вследствие непрямого обходного пути для тока, который может явиться недостаточным для срабатывания защитного выключателя. Схема с замыканием на землю может быть наиболее опасной: поскольку устройство часто продолжает работать, оператор может подвергнуться электрическому удару, особенно в случае, если не установлены устройства защитного отключения.

Замыкание на землю происходит при недостаточной изоляции, проблемах в проводах или неправильно размещенных компонентах устройств. Поражение током от двигателя возникает вследствие того, что его корпус и оператор становятся частью электрической цепи. Типичные признаки замыкания на землю следующие:

♦ аномальный ток;

♦ аномальное напряжение;

♦ аномальное сопротивление;

♦ поражение током;

♦ аномальная работа схемы;

♦ срабатывают устройства защитного отключения;

♦ периодически выгорают плавкие предохранители и прерыватели.

Механические проблемы возникают в результате избыточного трения, износа, неправильного использования, вибрации и т. д., при которых физическая часть электротехнического или электронного устройства вызывает неисправность. Разорванные ремни, изношенные подшипники и контакты, ослабленные болты, поврежденные шасси, сломанные средства управления являются типичными примерами механических проблем. Наиболее очевидные признаки возникновения механических дефектов следующие:

♦ шум при работе;

♦ аномальная работа;

♦ визуальные признаки;

♦ неисправности электрической схемы.

Наиболее важный инструмент, который может использовать специалист, — это его собственные органы чувств. Большинство проблем можно выявить с помощью зрения, слуха, обоняния, осязания.

Прежде чем применять сложные технические средства для анализа проблемы, сначала рассмотрите очевидные варианты. Сломанная печатная плата, разорванный провод, сгоревший или обугленный элемент, любой тип повреждения может привести специалиста к источнику проблемы.

Для специалиста нет более знакомого ощущения, чем запах сгоревшего транзистора. Мастер должен с легкостью узнавать его. Поврежденная огнем изоляция, кабель, провода и элементы — ключ к обнаружению неполадок схемы, который поможет локализовать их основную причину.

Многие специалисты полагаются на осязание при определении вышедшего из строя компонента. Горячая интегральная микросхема в ряду себе подобных показывает, что в ней, вероятно, произошло короткое замыкание. Аналогично, дымящийся двигатель является обычным признаком разрыва электрической цепи.

С другой стороны, линейный резистор 10 Вт должен быть теплым или горячим. Если это не так, значит в этом элементе произошел обрыв цепи. Из собственного опыта специалисты по поиску неисправностей узнают, что разные компоненты имеют разную температуру при работе, соответствующую области их применения. Когда вы научитесь узнавать эти различия, нахождение вышедших из строя компонентов устройств станет для вас значительно проще.

Методы поиска неисправностей

Существуют основные приемы, которыми пользуются все сервисные инженеры при обслуживании электрических или электронных устройств. Какую именно технику взять на вооружение, зависит от типа дефекта или возникающих симптомов.

В книге представлены следующие методы, которые будут далее разобраны и объяснены:

♦ измерения напряжения;

♦ измерения тока;

♦ измерения сопротивления;

♦ замена;

♦ шунтирование;

♦ нагрев;

♦ охлаждение;

♦ подача сигналов и контроль их прохождения;

♦ тестеры компонентов, тестовые индикаторы;

♦ повторная пайка, настройка и т. д.;

♦ обходные цепи.

Измерения напряжения в схеме обычно производятся с помощью вольтметра или осциллографа. Нулевое напряжение может показывать обрыв цепи, а низкое напряжение может указать на короткозамкнутый компонент. Помните, что всегда следует подключать вольтметр параллельно цепи, в которой вы измеряете напряжение (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Всегда подключайте вольтметр параллельно цепи

Измерение тока в схеме обычно осуществляется с помощью амперметра или токоизмерительных клещей. Амперметр указывает и локализует обычные дефекты схем, например короткие замыкания, обрывы в цепях, замыкания на землю. Помните, что амперметр должен подключаться последовательно с цепью, в которой вы измеряете ток (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Всегда подключайте амперметр последовательно

Омметр используется для измерения целостности цепи, сопротивления цепи или сопротивления компонента. Эти измерения применяют при локализации коротких замыканий, замыканий на землю и обрыва цепей. Помните, что вы должны выключить питание, прежде чем проводить эту процедуру (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Всегда выключайте питание схемы перед измерением сопротивления

Метод замены предлагает вам просто избавиться от элемента, который, по вашим предположениям, вышел из строя, и заменить его заведомо исправным. Этот метод может сэкономить драгоценное время специалиста и избавить его от разочарования. Однако есть определенный риск. Если плата заменяется новой, а проблема остается неразрешенной, новая деталь также может быть повреждена. Кроме того, многие поставщики запасных частей не принимают новые детали к возврату; если те уже использовались, поскольку их качество сомнительно. Тем не менее, если не злоупотреблять этим методом, то он остается важным и ценным.

Когда специалист по поиску неисправностей подозревает, что элемент (обычно конденсатор) вышел из строя, он помещает хороший элемент в схему параллельно подозрительному. Если схема начинает работать, значит, проблема локализована. Это называется шунтирование. Специалист может сэкономить драгоценное время таким способом (рис. 1.4). Помните, однако, что использование этой техники обычно ограничено элементами, где произошел обрыв, а не короткое замыкание. Шунтирование замкнутого элемента может не иметь результата или привести к повреждению нового элемента.

Рис. 1.4. Шунтирование исправным элементом предположительно вышедшего из строя

Нагрев элемента подозреваемого в нестабильной работе, также является одним из способов поиска неисправностей. При воздействии тепла он выходит из строя. Специалист, обычно с помощью фена или жала паяльника, может определить качество элемента. Не перегрейте его и старайтесь не повредить также расположенные рядом компоненты, особенно в пластмассовом корпусе.

Метод охлаждения используется для временного восстановления нормальной работы элемента и предполагает наличие холодного воздух от вентилятора или химического охладителя. Если понизить температуру подозрительного термонестабильного элемента, то часто можно временно восстановить его работоспособность. Применение и тепла, и холода очень полезно для определения микротрещин плат и микроразрывов соединений. Тепло и холод вызывают расширение и сжатие, что может временно дать возможность схеме работать, позволяя специалисту локализовать неисправность.

Подача сигнала и контроль его прохождения наиболее часто используется при работе с радиоприемниками. Технический специалист подает сигнал в приемник, чтобы локализовать неработающий узел (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Использование метода подачи сигнала в неправильно работающей схеме

Сигнал подастся в различные точки, предшествующие каждому каскаду. Если каскад работает, то в динамике слышен звук. Дефектный каскад не пропустит или исказит сигнал и в динамике не будет слышен звук, или звук будет содержать искажения.

Тестеры элементов представляют собой инструменты, которые используются для проверки качества компонентов схемы. К их числу относятся: мегомметры, приборы для проверки конденсаторов, тестовые лампы, тестеры диодов и транзисторов, приборы для проверки электронно-лучевых трубок, тестеры интегральных микросхем и др.

Повторная пайка, настройка, выравнивание — все это методы, которые специалист применяет к подозрительным компонентам. Во многих случаях он использует их, следуя интуиции, или предыдущий опыт подсказывает ему, что проблема кроется именно здесь. Если в прошлом подобные устройства часто выходили из строя из-за плохих паяных соединений, которые называются холодной пайкой, быстрое касание паяльником может решить проблему.

Обходные цепи — это способ, требующий отключения одной или нескольких цепей, который может использоваться для локализации предполагаемой неполадки. Например, при запирании транзистора можно отследить его воздействие на работу схемы в целом. В других случаях вся плата может быть отключена для того чтобы проверить напряжение или провести другие измерения, а также наблюдать изменения системы в целом. Например, плата с замыканием может отрицательно воздействовать и на другие цепи. За счет обхода замкнутой платы можно попытаться восстановить нормальную работу устройства, тем самым локализовав проблему.

При диагностике электрических и электронных неисправностей очень важно, чтобы специалист следовал логической систематической процедуре для предотвращения ненужных затрат времени, тестов, замены частей. Время — деньги, и хороший специалист нуждается в хорошей «поваренной книге, где изложен подход к поиску неисправностей. Например, большинство процедур можно значительно облегчить при использовании диаграмм, схем, чертежей.

Принципиальные схемы содержат план размещения и соединения электрических или электронных цепей. На этих диаграммах приводятся номиналы элементов и конкретная информация о них. Диаграммы также указывают рабочее напряжение и ток, формы сигналов и др.

Основные схемы и чертежи показывают размещение проводки или кабелей и органов управления. Чертежи обычно используются при организации бытовых и промышленных электрических сетей и органов управления, чтобы помочь при установке, локализации и прослеживании цепей.

Эскизные схемы могут быть полезны при рассмотрении плана размещения специфических деталей. Во многих случаях схема сопровождается эскизами. В таком случае она показывает только «картинку» схемы.

Успех при поиске неисправностей устройства часто зависит от наличия сервисных чертежей. С некоторыми малораспространенными изделиями иностранного производства и оборудованием трудно работать, поскольку отсутствует справочная литература. Часто специалист считает обслуживание этих изделий пустой тратой времени и бесполезным занятием и предпочитает не связываться с ними.

Независимо от проблемы или ситуации, хороший мастер, прежде всего, составит письменный или воображаемый отчет о проблеме, которую он устранил, и использует эту информацию в будущем.

Тестирование основных элементов

Некоторые элементы используются в большинстве электротехнических и электронных устройств. Для мастера по ремонту очень важно знать, как тестировать наиболее часто встречающиеся элементы.

Резисторы выпускаются разной формы, размера и номинала. Основная задача резистора заключается в ограничении тока и/или уменьшении напряжения. Большинство структурных элементов электрической цепи подобного типа изготавливаются из углерода или проволоки с заданной величиной сопротивления. Например, резистор 1000 Ом с допуском 10 % помечается коричневым, черным, красным или серебряным цветом. Поэтому омметр должен показывать величину сопротивления 900-1100 Ом. Резистор, в котором произошел обрыв, имеет бесконечное сопротивление, а неисправный элемент может иметь любое значение, меньше 900 Ом и больше 1100 Ом.

Данный структурный элемент рассчитан на определенную мощность, которая определяет способность резистора поглощать образующееся тепло. Мощность резистора задаст его реальный физический размер.

Наиболее часто встречающиеся дефекты резисторов имеют физическое происхождение — они трескаются или обугливаются. Когда чрезмерный ток или рассеиваемая мощность приводят к чрезмерному повышению температуры, в резисторе происходит обрыв. Обугленный или потерявший цвет резистор следует заменить. Он может показывать нормальное сопротивление при измерениях омметром, но при подаче напряжения во время работы схемы возникает обрыв.

Омметр является одним из наиболее важных элементов, используемых при диагностике компонентов устройств. Этот прибор используется для измерения целостности и сопротивления резисторов и других составляющих схемы. Компонент, целостность цепи в котором не нарушена, имеет сопротивление близкое к 0. С другой стороны, компонент, в котором возник обрыв, имеет бесконечное сопротивление.

При тестировании основных элементов специалист, в основном, занимается измерением сопротивления и проверкой отсутствия обрыва. Например, когда происходит проверка плавкого предохранителя, годный предохранитель будет иметь сопротивление 0 Ом, а разорванный (сгоревший) будет иметь бесконечное сопротивление (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Проверка плавкого предохранителя на отсутствие обрывов

Как и в случае с предохранителем, при проверке кабелей, проводов или жгута электропроводки, исправный провод будет обладать целостностью, а разорванный нет. Когда вы проверяете провод на наличие возможного дефекта, подключите омметр и аккуратно согните провод в нескольких местах, особенно там, где наиболее часто возникают неисправности, например около точек подключения. Поскольку провода часто имеют скрытые дефекты, неисправность может проявиться, когда вы их сгибаете.

При проверке переключателей используется такая же процедура. Однополюсный переключатель должен обеспечивать прохождение тока только в одном положении (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Проверка переключателя на целостность с использованием омметра

Когда вы проверяете переключатель с помощью омметра, аккуратно пошевелите переключатель для выявления потенциально скрытых дефектов. Эта процедура позволит вам также оценить механическое качество переключателя. Переключатели, как правило, срабатывают четко и надежно, их компоненты нс должны болтаться и иметь плохие контакты. Некоторые дефектные переключатели можно легко исправить, затянув винт или прочистив. Однако в большинстве случаев их надо заменять.

Характеристики переменных резисторов (или потенциометров), можно измерять и проверять двумя простыми способами. Один из них заключается в использовании омметра для измерения сопротивления потенциометра между крайними выводами. Величина противодействия цепи электрическому току должна быть равна той, которая указана на самом потенциометре. Подключите один щуп омметра к центральному выводу потенциометра, соединенному с подвижным скользящим контактом (движком). При вращении вала потенциометра сопротивление должно изменяться соответствующим образом (рис. 1.8).

Рис. 1.8. Проверка потенциометра с использованием омметра

Другой способ проверки потенциометра заключается в том, чтобы поворачивать вал потенциометра, находящийся в схеме. Если в динамике слышится резкий скрежещущий звук — потенциометр нуждается в чистке или замене. Для этого выключите питание и нанесите средство для очистки элементов на скользящий контакт, одновременно вращая вал.

Очень важно иметь неразряженную аккумуляторную батарею, а проверить это можно с помощью измерения напряжения и тока. Хороший источник питания должен давать величину, немного превышающую указанное на нем значение. Например, новая сухая батарея 1,5 В постоянного тока, должна при измерениях давать 1,5–1,6 В. В то же время «севшая» батарея будет давать меньше 1.5 В. Полностью заряженная автомобильная аккумуляторная батарея (свинцово-кислотный аккумулятор) с номинальным значением напряжения 12 В обычно имеет напряжение 13,5-14 В.

Следить за состоянием источников питания необходимо для обеспечения достаточного для измерений тока. При необходимости батарею следует зарядить или заменить.

Динамики являются обычными деталями, которые используются во многих устройствах, например компьютерах, телевизорах, стереоприемниках. Во время проверки этого компонента сначала проведите внешний осмотр. Треск и сильная вибрация часто являются признаками дефекта. Проинспектируйте динамик на наличие трещин, грязи, обрыва гибких проводников, соединяющих его выводы со звуковой катушкой, и др. Если у вас есть сомнения относительно качества выходного устройства, лучше его заменить. Многие динамики работают периодически при нажатии на диффузор. Это верный признак того, что дефект заключается в звуковой катушке, соединениях и т. п.

Когда вы заменяете динамик, важно найти его аналог с таким же импедансом и номиналом мощности, а также с тем же частотным диапазоном — низко-, средне- или высокочастотным. Эти параметры определяются, прежде всего, звуковой катушкой. Номинальная мощность, которая измеряется в ваттах, указывает максимальную мощность, при которой должен работать динамик. Импеданс (в омах) используется для обеспечения электрического согласования входа динамика и выхода приемника. Импеданс динамика можно приближенно определить, измерив сопротивление катушки омметром, и умножив эту величину на 1,25. Часто встречающиеся величины для динамика: 3,2 Ом. 4 Ом, 8 Ом, 10 Ом, 16 Ом и 20 Ом.

Другой метод проверки динамика заключается в подключении омметра к выводам звуковой катушки. В момент подсоединения тестера вы должны услышать щелчок и увидеть небольшое перемещение диффузора. У неисправного динамика эти проявления отсутствуют. Этот метод также может быть полезен для совместного фазирования двух и более динамиков. Подключите омметр к выводам звуковой катушки и проверьте, движется ли диффузор внутрь или наружу. Измените полярность омметра, чтобы изменить направление движения диффузора. Отметьте полярность выводов каждого динамика, соответствующую движению диффузора наружу (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Синхронизация динамиков с помощью омметра

Затем подключите динамики к звуковому усилителю с соблюдением правильной полярности. Воспроизведение звука должно улучшиться, поскольку диффузоры динамиков будут двигаться внутрь и наружу синфазно. Если они разбалансированы или работают в противоположных фазах, то звуковые волны определенных частот будут ослабляться.

Конденсаторы используются в сотнях различных случаях: для фильтрации, регулировки напряжения, шунтирования, коррекции фазы, контроля частоты. Прибор различных размеров, форм, типов, номиналов, по сути, конденсатор является элементом, который обладает способностью накапливать электрический заряд. Он состоит из двух проводящих пластин, разделенных изолирующим диэлектрическим материалом. Есть несколько типов конденсаторов: слюдяные, бумажные, керамические, пленочные, алюминиевые, танталовые. Единицей измерения емкости является фарада (Ф), но большинство конденсаторов имеют гораздо меньшие габариты, измеряемые микрофарадами (мкФ). Итак, величина емкости показывает количество заряда, который может хранить этот компонент.

Существует несколько приемов для тестирования конденсаторов:

♦ измерение сопротивления (омметр):

♦ измерение емкости (устройство проверки конденсаторов):

♦ проба на искру;

♦ шунтирование;

♦ замена.

Омметром затруднительно проверять конденсаторы емкостью порядка десятых долей микрофарады и менее, поскольку заряд прибора происходит так быстро, что стрелка не успевает отклониться. Показания, близкие нулевым, свидетельствуют о коротком замыкании в конденсаторе. Элементы емкостью более 0,25 мкФ должны регистрироваться омметром.

Когда вы проверяете конденсатор, установите переключатель пределов измерения омметра на один из верхних диапазонов, например до 10000 Ом, и подключите его к выводам элемента. Предварительно обязательно разрядите конденсатор, замкнув его выводы куском провода или отверткой. Когда вы подключите выводы омметра к контактам конденсатора, стрелка должна сначала отклониться вправо, а затем медленно вернуться к 0. Если этого не произошло, значит существует обрыв в конденсаторе. Стрелка не возвращается — это говорит о замыкании в данном элементе (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Проверка конденсатора с помощью омметра

Другой метод, который используется для проверки конденсаторов с большей емкостью, — проба на искру. Подключите на несколько мгновений конденсатор к выводам постоянного источника напряжения. Не забудьте о соблюдении полярности, если проверяете электролитический полярный конденсатор. Убедитесь, что напряжение, которое вы собираетесь приложить, не превосходит номинального напряжения данного элемента цепи (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Проверка конденсатора с помощью пробы на искру

Обычно для заряда достаточно 1 с. Не прикладывайте напряжение на долгое время — это повредит элемент или может травмировать вас. После того, как конденсатор зарядится, замкните его контакты с помощью отвертки или аналогичного инструмента с изолированной ручкой, чтобы не получить удар током. Если конденсатор исправен, возникает искра. Отсутствие ее говорит о поломке элемента.

Устройство тестирования является полезным прибором для проверки характеристик конденсатора. Причем некоторые из них можно подвергнуть данной процедуре, не отключая от сети. Помимо измерения емкости, это устройство позволяет проверить и такие характеристики, как ток утечки и обрыв. Шунтирование также является действенным благодаря своей оперативности способом проверки конденсатора. В этом случае подозрительный элемент шунтируется другим заведомо исправным конденсатором с номиналом на 10 % больше. Во время этой процедуры должна наблюдаться заметная разница в работе изделия или прибора (радио, телевизора и т. п.). Например, неисправный фильтрующий конденсатор часто вызывает заметный гул в радиоприемнике. За счет шунтирования восстанавливается нормальная работа схемы, и посторонние звуки исчезают.

Метод замены, подобно шунтированию, определяет качество конденсатора за счет использования другого конденсатора. При замене вы просто ставите новый элемент с такими же характеристиками и номинальными значениями. Работа изделия или прибора покажет эффект использования компонента. Помните, что не следует превышать номинальное напряжение конденсатора. Элемент с номинальным напряжением 100 В можно заменить только конденсатором 100 В и выше. Иначе он выйдет из строя. Удобным средством при поиске неисправностей являются магазины конденсаторов, особенно, содержащие переключатели для формирования емкости близкого номинала к испытываемому. Эти наборы содержат элементы с наиболее часто встречающимися номиналами, что исключает необходимость искать конкретные конденсаторы в каждом случае. Их можно легко изготовить или купить, они дают быстрый, удобный и доступный способ получения конденсатора для замены.

Полупроводниковые элементы

Понимание основ теории полупроводников может быть серьезным подспорьем для специалиста при тестировании этих элементов. Одним из первых известных полупроводниковых устройств являлся кристаллический детектор. Он состоял из кусочка кристаллического галенита с проволочным контактом и прижимающей пружиной. Это сочетание выпрямляло ток, позволяя ему течь только в одном направлении.

Хотя кристалл галенита был ненадежен, он был первым шагом в применении полупроводников. Развитие современных диодов и транзисторов началось с базовой теории и разработки материалов р- и n-типа.

Для создания материалов р- и n-типа используется кристаллический германий или кремний. Атомный номер кремния 14, с 4 валентными электронами на внешней орбите. Атомный номер германия 32, и он также имеет 4 валентных электрона на внешней орбите (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Строение атомов кремния и германия

Для образования материала р-типа, добавляются примеси, галлий или индий, которые называются трехвалентными, поскольку имеют 3 электрона на внешней оболочке. Когда галлий или индий добавляются к кремнию или германию (которые имеют валентность 4), место одного валентного электрона остается незанятым и называется дыркой. Оно имеет положительный заряд и в результате образуется материал p-типа. Примесь, которая приводит к образованию дырок, называется акцепторной (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Добавление акцепторной примеси в кристалл вызывает образование дырки, в результате образуется материал р-типа

Для формирования материала n-типа добавляется примесь из мышьяка или сурьмы. Она является пятивалентной, то есть имеющей 5 валентных электронов на внешней орбите. При добавлении в германий или кремний соединяется с 4 валентными электронами и образует 1 свободный электрон, который дает атому отрицательный заряд, поэтому эта примесь называется донорной (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Добавление донорной примеси в кристалл вызывает образование «лишнего» электрона, в результате образуется материал n-типа

Когда материалы р- и n-типа вступают в контакт, образуется р-n-переход. Такая структура называется диодом, поскольку она позволяет току проходить только в одном направлении. Когда к диоду подключена батарея таким образом, что положительный полюс батареи соединен с положительным полюсом диода, а отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом диода, через диод течет ток. Это называется прямым смещением перехода (диода) и показано на рис. 1.15.

Рис. 1.15. Прямое смещение диода

Если положительный полюс напряжения приложен к зоне р с основными носителями заряда — дырками, а отрицательный полюс — к зоне n, где основные носители — электроны — под действием внешнего поля дырки будут отталкиваться положительным потенциалом, а электроны — отрицательным. Под действием этих сил дырки и электроны двигаются навстречу друг другу, к р-n переходу, где происходит их рекомбинация, и в цепи протекает ток.

Изменив полярность включения внешнего источника, можно добиться того, что дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу, а электроны — к положительному. Под действием этих сил электроны и дырки будут двигаться в направлении от перехода, вследствие чего переход будет обеднен носителями заряда, число рекомбинаций значительно сократится и ток через переход будет близок к нулю. В этом случае говорят, что к переходу приложено обратное запирающее напряжение.

Обратно смещенный диод показан на рис. 1.6.

Рис. 1.16. Обратно смещенный диод

Положительная р-сторона диода называется анодом, а отрицательная n-сторона — катодом. Для специалиста важно хорошо разбираться в этом. Стрелка показывает р-сторону. Линия показывает сторону n. Линия или точка, поставленная изготовителем на диоде, показывает катод. Имейте в виду, что изготовители обычно отмечают катод полоской. Когда конец диода с полосой подключен к положительному полюсу источника питания, диод будет смещен в обратную сторону.

Для проверки диода специалист может использовать или цифровой вольтомметр, или устройство проверки диодов или транзисторов. При проверке диода с помощью омметра вы можете использовать метод измерения низкого/высокого сопротивления. Вы помещаете переключатель диапазонов на Rx100 и подключаете прибор к выводам диода. При прямом смещении омметр должен показывать меньше: от нескольких десятков до нескольких сотен Ом (то есть низкое сопротивление). При обратном смещении омметр должен показывать десятки и сотни кОм (то есть высокое сопротивление). Такие показания означают, что диод, возможно, исправен. Если ваши измерения свидетельствуют в обоих случаях о высоких или низких значениях сопротивления, это означает, что диод, вероятно, неисправен. Рис. 1.17 показывает правильную проверку диода с помощью омметра.

Рис. 1.17. Проверка диода с помощью омметра

Большинство диодов можно проверить с помощью омметра. Помните, что когда вы проводите измерения низкое/высокое, настоящая величина сопротивления диода не очень важна при изменении полярности подключения омметра. Если после проверки с помощью омметра остаются какие-либо сомнения, следует заменить диод. Кроме того, помните, что когда диод проверяется внутри цепи, его сопротивление может быть низким в обоих направлениях благодаря возможному шунтированию элементами прибора. Чтобы быть уверенным в исправности прибора, отпаяйте один вывод и снова проверьте диод с помощью омметра. Когда вы заменяете диод, имейте в виду, что он выдерживает только определенное напряжение при включении в обратном направлении. Это называется пиковым обратным напряжением диода. Никогда не превышайте этот параметр, иначе диод выйдет из строя.

Хотя существуют различные типы диодов (стабилитроны, светодиоды, фотопроводящие, варисторы, туннельные), каждый из них имеет свои уникальные характеристики. Когда вы сомневаетесь в качестве прибора, наилучшим методом является замена. Например, стабилитроны могут работать при обратном смещении. Однако этот тип диодов заперт до определенного порога напряжения, или напряжения пробоя, а затем он проводит ток. сохраняя относительно постоянное напряжение. Такая работа дает стабилитрону возможность действовать как стабилизатор напряжения, и его можно использовать для источников питания со стабилизированным напряжением.

Транзистор фактически представляет собой два включенных во встречном направлении диода, комбинацию р-n-р или n-р-n. Первая область транзистора называется эмиттером, вторая — базой, третья — коллектором (рис. 1.18).

Рис. 1.18. Три части транзистора

Специалист должен понимать принцип действия транзистора. Рис. 1.19 показывает n-р-n транзистор, где переход эмиттер-база смещен в прямом направлении, поэтому он имеет низкое сопротивление току.

Рис. 1.19. Движение электронов в транзисторе n-р-n

Переход коллектор-база имеет высокое сопротивление, так как он смещен в обратном направлении. Отрицательный потенциал батареи заставляет электроны эмиттера направляться в базу и очень небольшое число этих электронов соединяться с положительными дырками, большинство же продолжает движение к области коллектора. Это происходит вследствие сильного действия положительного полюса батареи. Электроны замыкают цепь, возвращаясь к источнику питания. Помните, что новые дырки поступают в область базы от батареи, когда электроны заполняют старые.

Поскольку область коллектора имеет более высокое сопротивление, чем эмиттера, любое изменение тока в области эмиттера вызовет пропорциональную реакцию в области коллектора. Проходящий через транзистор сигнал будет, таким образом, усилен.

Величиной усиления сигнала можно управлять, регулируя поток электронов в область базы. Количество электронов, поступающих в область базы, определяет количество электронов, которые имеются в области коллектора. Регулирование числа электронов в базе называется смещением. В транзисторе прямое смещение (смещение перехода эмиттер-база) определяет усиление транзистора. Прямым смещением транзистора можно управлять, увеличивая или уменьшая напряжение или сопротивление области эмиттер-база (рис. 1.19).

Поведение потока электронов в транзисторе р-n-р напоминает действия в транзисторе n-р-n, но ток образуется за счет движения дырок. Положительное воздействие батареи заставляет положительные дырки проходить из эмиттера через область база-коллектор и возвращаться к отрицательному полюсу батареи. Здесь снова, как в случае с электронами в транзисторе n-р-n, небольшое число вакансий заполняется электронами в области базы, но большинство дырок продолжает двигаться в область коллектора. Проводимость обеспечивается за счет тока дырок от эмиттера к коллектору. Поток электронов противоположен потоку дырок. Поэтому считается, что поток электронов в этой цепи идет в обратном направлении, от коллектора к эмиттеру. Пусть вас не смущает такое объяснение, в целом, основная функция обоих типов транзисторов в схемах одинакова. Оба транзистора усиливают ток (рис. 1.20).

Рис. 1.20. Движение электронов в транзисторе р-n-р

Существуют три основные схемы включения транзисторов — с общей базой, общим эмиттером и общим коллектором. Каждая схема обладает собственными уникальными характеристиками. Рис. 1.21. и табл. 1.1. показывают их основные различия.

Рис. 1.21. Три основных схемы включения транзистора

Работа схем и рекомендации по поиску неисправностей в них более подробно обсуждаются в следующих главах. Транзисторы обычно тестируют с помощью специального устройства, или с помощью омметра (рис. 1.22).

Рис. 1.22. Проверка транзистора на короткое замыкание и обрыв с использованием омметра

Имейте в виду; что транзистор фактически представляет собой два включенных в разные стороны диода и, следовательно, может быть проверен аналогично диоду. Для тестирования транзистора на короткое замыкание или обрыв подключите положительный контакт омметра (Rx100) к базе, а отрицательный — к эмиттеру n-р-n-транзистора. Теперь переход база-эмиттер смещен в прямом направлении и его сопротивление должно быть низким. Поменяв контакты местами мы сместим переход база-эмиттер в обратном направлении, и омметр будет показывать большое сопротивление. Переход коллектор-база проверяется аналогично.

Помните, что всегда должны наблюдаться малые/большие показания омметра. Если при любом положении контактов прибора наблюдается большое сопротивление, это означает, что в транзисторе произошел обрыв, а в случае малого сопротивления в обоих измерениях — короткое замыкание (при проверке не включенного в схему транзистора).

Во многих случаях можно проверить подобным образом транзисторы и в схеме. Если при тестировании в схеме данные показывают на вероятную неисправность транзистора, рекомендуется извлечь его из схемы и снова проверить.

Использование омметра является способом, который помогает определить, какому назначению соответствует конкретный вывод и/или качество транзистора. Сначала найдите эмиттер и коллектор, используя руководство изготовителя со схемой или с помощью измерений малое/большое омметром. Поместите один контакт омметра на эмиттер, а другой — на коллектор. Омметр покажет некую величину. Теперь закоротите базу на эмиттер. Сопротивление на приборе должно возрасти. При замыкании базы на коллектор сопротивление должно уменьшаться (рис. 1.23).

Рис. 1.23. Проверка качества транзистора с помощью омметра

Полевой транзистор (ПТ) представляет собой класс приборов, который часто используется в электронных схемах. Хотя по внешнему виду он похож на биполярный транзистор (n-р-n и р-n-р), полевой транзистор имеет другую конструкцию: три вывода — исток, затвор и сток, которые соответствуют эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора (рис. 1.24).

Рис. 1.24. Изображение на схеме полевых транзисторов с каналами n и р типа

Движение заряженных частиц происходит между истоком и стоком по «резистивной», то есть образованной полупроводниковой подложкой, части ПТ. Затвор представляет собой диодный переход, который смещен в обратном направлении, в отличие от прямо смещенного перехода биполярного транзистора. Поэтому затвор имеет очень высокое сопротивление, обеспечивая высокий входной импеданс, необходимый во многих цепях.

Устройство, имеющее плоскостной затвор, называется полевым транзистором с управляющим р-n-переходом между затвором и каналом. Такой ПТ можно проверить с помощью омметра аналогично биполярному транзистору. Омметр (Rx100) покажет результаты, аналогичные измерениям диода (большое/малое сопротивление) между стоком и затвором. Подобным же образом проверяется переход исток-затвор. Большие величины сопротивления, измеренные омметром, в обоих случаях указывает на обрыв в транзисторе, малые — на замыкание. В исправном транзисторе омметр при включении между истоком и стоком показывает малое сопротивление при любой полярности. Большое сопротивление при обоих измерениях указывает на обрыв в цепи (рис. 1.25).

Рис. 1.25. Проверка полевого транзистора с управляющим р-n-переходом на обрыв и короткое замыкание с использованием омметра

Аббревиатура МОП обозначает металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор. Прибор называют также полевым транзистором с изолированным затвором, поскольку затвор здесь электрически изолирован от канала исток-сток (то есть от полупроводниковой подложки) тонким слоем диоксида кремния (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Схематическое изображение МОП-транзисторов с n- и р-каналом

МОП-транзистор может иметь канал p-типа или n-типа. Ток, протекающий в p-канале, уменьшается за счет положительного напряжения и увеличивается при приложении отрицательного напряжения. Существует три основных типа МОП-транзисторов, различающиеся по зависимости состояния канала от напряжения на затворе.

1. При прямом смещении проводит ток от истока к стоку и остается в режиме «отсечки» (то есть тока нет) при нулевом смещении.

2. Проводит при нулевом смещении и уменьшает ток при обратном смещении, а при достаточном обратном смещении переходит в режим отсечки.

3. При нулевом смещении обладает определенной проводимостью. При обратном смещении ток уменьшается, а при прямом возрастает.

Транзисторы МОП имеют высокий входной импеданс, кроме того, они чувствительны к статическому электричеству и с ними надо обращаться аккуратно.

По этой причине при перемещении у МОП-транзисторов затвор и исток закорачиваются. Для этого их выводы скручиваются вместе, или на них надевается специальная пружина. Защищенный МОП-транзистор с двойным затвором позволяет решить эту проблему, правда, за счет уменьшения входного сопротивления (рис. 1.27).

Рис. 1.27. Схематическое изображение двухзатворного МОП-транзистора и каналом n-типа

При соединении выводов затворов вместе он работает как обычный МОП-транзистор, и его можно проверить с помощью омметра. Межу затвором и стоком или истоком должно быть нулевое сопротивление. Какие-либо показания омметра означают короткое замыкание. Для проверки состояния перехода сток-исток подключите между затвором и стоком резистор 15 кОм. Если сопротивление изменяется, это означает, что MOSFET исправен. Но имейте в виду, что наилучшим способом проверки является замена или использование тестового оборудования (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Проверка МОП-транзистора на обрыв и короткое замыкание с использованием омметра

Существуют различные методы тестирования. Многие из них можно прямо или косвенно использовать для определения работоспособности транзистора. Помимо проверки сопротивления и использования устройств тестирования компонентов можно также применять:

♦ измерения напряжения;

♦ нагревание и/или охлаждение;

♦ контроль прохождения сигналов;

♦ замену;

♦ запирание транзистора.

Измерения напряжения могут быть полезны для определения работоспособности схемы с транзистором. Например, на схеме изготовителем указаны номинальные рабочие значения напряжения. Если в транзисторе обрыв или он не проводит ток, то напряжение на коллекторе будет полным — 10 В, а не 6 В как в обычном состоянии. Когда прибор закорочен, через него будет течь чрезмерный ток. Это увеличит нагрузку цепи. Поэтому если напряжение на коллекторе низкое, эго может указывать на короткое замыкание транзистора или наличие неисправного резистора смещения (рис. 1.29).

Рис. 1.29. Типичные рабочие напряжения транзистора

Часто можно проверить транзисторы при помощи температурного теста. Сначала нагрейте предположительно неисправный прибор с помощью фена или горячего жала паяльника. Если это вызывает пробой, используйте химический охладитель или холодный воздух от вентилятора. Если при охлаждении транзистор возобновляет нормальную работу, его можно считать неисправным. Термозависимый режим работы обычно свидетельствует о неисправности и чреват выходом из строя при продолжительной работе.

Повышение температуры увеличивает количество заряженных частиц, что в свою очередь вызывает выделение тепла, которое заставляет проводить еще больший ток. В конце концов, транзистор разрушает себя. Такой процесс называется тепловой пробой. Помните: не следует без особой надобности подвергать прибор слишком сильной тепловой атаке, так как это может привести к фатальным повреждениям.

Контроль прохождения сигналов также может быть использован для локализации неисправного транзистора. Например, подавая сигнал в каждый каскад приемника, начиная с динамика и продвигаясь к входному каскаду, вы найдете место, где неисправный транзистор (в котором произошел, например, обрыв) не позволяет сигналу пройти.

Замена транзистора может быть эффективна для определения неисправного прибора. Помните, что при этом вы, должны использовать аналогичную модель. Многие специалисты предпочитают сначала присоединить новый транзистор к обратной стороне печатной платы, где расположены дорожки, чтобы удостовериться, что подозреваемый прибор действительно неисправен. Это может сэкономить ценное рабочее время.

Другой прием заключается в замыкании базы и эмиттера, при котором происходит запирание транзистора (рис. 1.30).

Рис. 1.30. Отключение транзистора с помощью закорачивания базы и эмиттера

В этом случае должна наблюдаться заметная разница в работе всего устройства по сравнению с нормальным режимом. Если явных перемен не обнаружено, прибор, скорее всего, неисправен. При проведении этого теста соблюдайте осторожность, чтобы не замкнуть коллектор и базу, поскольку это может заставить транзистор пропускать большой ток и вывести его из строя. Кроме того, этот метод пригоден только для некоторых схем, в частности для усилителей и генераторов колебаний.

Способ отключения транзистора можно сравнить с поиском неисправной свечи в автомобиле. Для успешного теста необходимо при работе двигателя в режиме холостого хода на короткое время отключить каждую свечу. Таким образом далее ведется наблюдение за двигателем. Если проведенная операция повлияла на его работу, значит, свеча исправна. Отсутствие явных перемен говорит об обратном.

Отметим, однако, что при замене транзистора необходимо соблюдать некоторые предосторожности:

♦ никогда не перегревайте транзистор;

♦ используйте теплоотвод;

♦ используйте паяльник 35 Вт или менее;

♦ используйте для замены только такой же или рекомендованный транзистор;

♦ идентифицируйте положение эмиттера, коллектора и базы.

Еще один тип полупроводниковых приборов, тиристор, представляет собой последовательное соединение грех диодов в разном направлении (рис. 1.31).

Рис. 1.31. Конструкция тиристора

Тиристор работает как управляемый выпрямитель и может проводить ток, если к затвору приложено достаточное напряжение (или напряжение на аноде будет нарастать с недопустимой для данной марки прибора скоростью). Это происходит до тех пор, пока его величина не уменьшится почти до нуля.

Данный полупроводниковый прибор является весьма распространенным элементом в системах электропитания, в автоматике. В частности, используется в устройствах подачи сигнала тревоги при несанкционированном проникновении.

Его работоспособность лучше всего проверять методом замены или с помощью омметра.

Для теста омметром, установите переключатель шкалы в положение Rx10 000. При подключении отрицательного вывода к катоду, а положительного к аноду, исправный тиристор должен показать более 1 МОм. Малое или нулевое сопротивление означает замыкание. Для проверки работы управляющего электрода закоротите его вывод на анод, при этом омметр должен показать сопротивление, близкое к 0.

Интегральные микросхемы

Хотя реальная конструкция интегральных микросхем (ИМС) достаточно сложна, процесс их проверки легок для понимания.

Существует три основных конструктивных типа интегральных схем: в корпусе с двухрядным расположением выводов (DIP), круглые и плоские (рис. 1.32).

Рис. 1.32. Три основных конструкции интегральных микросхем

Одна небольшая ИМС состоит из нескольких резисторов, конденсаторов, диодов и транзисторов, которые соединены в микросхему (рис. 1.33).

Рис. 1.33. Типичный образец выполненного в виде интегральной микросхемы предварительного звукового усилителя каскада с выходной мощностью 1 Вт на примере ECG 1043

Они герметически закрыты в керамическом или пластмассовом корпусе. Два основных метода изготовления микросхем называются монолитным и гибридным. При изготовлении монолитных (или стандартных) ИМС компоненты выполняются на одной подложке. Гибридные имеют специальное назначение, что требует отдельных компонентов с последующей сборкой на подложке. Подход к проверке ИМС остается прежним.

Несмотря на то что интегральные схемы имеют различные формы, типы и размеры, для поиска неисправностей обычно применяются следующие стандартные методы:

Когда схема работает, коснитесь верхней части изолирующего корпуса пальцем для проверки температуры. Горячая ИМС — индикатор неисправного или закороченного элемента. Большинство микросхем должны быть холодными или теплыми.

Нагрев и/или охлаждение также часто используются для проверки ИМС на дефекты. Как было указано выше, подозрительный элемент, работоспособность которого зависит от температуры, можно проверить с помощью наблюдения функционирования схемы во время нагрева феном и последующего охлаждения или замораживания. Неисправная, термозависимая ИМС при нагреве прекратит работать, но снова активируется при охлаждении.

Проверку напряжения можно легко осуществить с помощью вольтметра или осциллографа. Измерьте напряжение на каждом выводе ИМС и наблюдайте форму сигнала на экране измерительного прибора. Затем сравните результаты с указанными изготовителем параметрами. Несоответствие напряжения и сигналов говорит о возможной неисправности ИМС или связанных с ней элементов.

Иногда подозрительную ИМС можно игнорировать с использованием конденсатора, который проводит сигнал в обход (рис. 1.34).

Рис. 1.34. Шунтирование ИМС с помощью конденсатора

Если сигнал возрастает при шунтировании ИМС, это означает, что схема, возможно, неисправна.

Любую подозрительную ИМС можно заменить аналогичной исправной. Этот метод экономит ценное время специалиста по обслуживанию. Но если взглянуть на вещи реально, мастера не могут полагаться только на эту технику, поскольку она потребует очень большого количества ИС, а это достаточно дорого. Имейте также в виду, что если причина проблемы неправильно определена, то замена может привести к выходу из строя и новой микросхемы. Обычно на печатных платах установлено довольно много ИМС, и часто гораздо более практичным является замена всей платы.

Для проверки ИМС существуют специальные тестеры и наборы, однако в ряде случаев они могут работать только с ИМС вне схемы. Можно использовать компараторы с многоконтактными зажимами. Они очень удобны, но, к сожалению, дороги.

Цифровой логический пробник является, наверное, одним из самых важных тестовых инструментов для специалистов. Этот небольшой ручной прибор обычно используется для тестирования логических импульсов и уровней. Пробник содержит сложную схему, которая с помощью светодиодов (СД), срабатывающих по высокому или низкому уровням, индицирует сигналы логических уровней схемы. Подобно вольтметру логический пробник присоединяется к каждому выводу ИС или к каждой точке, где проводится контроль. Результат сравнивается с данными производителя (рис. 1.35).

Рис. 1.35. Использование логического пробника для тестирования ИМС

Концепция «черного ящика» является стандартным подходом к тестированию ИМС, которая рассматривается как некое устройство с неизвестным принципом действия, но с очевидными входными и выходными характеристиками. Если вы знаете, что должно быть на входе и выходе ИМС, вы измеряете эти величины и по результатам определяете, исправна ли эта микросхема. Такое представление о интегральной микросхеме часто устраняет необходимость понимания ее сложной внутренней структуры. Например, вы можете использовать осциллограф для замера входных и выходных напряжений и сигналов, а затем сравнить результаты с приведенными изготовителем диаграммами. Схемы с цифровой логикой обычно имеют два логических уровня 0 и 1. Подача соответствующих тестовых сигналов позволяет определить, происходит ли переключение.

Метод контроля прохождения сигналов с использованием осциллографа обычно предпочтителен для измерений напряжения и сопротивления, поскольку правильная работа ИМС зависит от динамических характеристик схемы. Метод контроля сигналов будет подробно объяснен в последующих главах с помощью диаграмм.

Когда обнаружена неисправная ИМС, замените ее, имея в виду следующее:

1. Закажите точно такой же компонент для замены.

2. Вставьте или разместите микросхему в точном соответствии с оригинальной ИМС. Очень легко вставить ИМС в противоположном направлении! Всегда идентифицируйте контакт 1 микросхемы — производители часто помечают его небольшой точкой.

4. Когда вы вставляете ИМС с 16 контактами в планарном корпусе в гнездо, можно ненароком согнуть ее выводы. Прежде чем нажимать на ИМС, чтобы полностью вставить ее в панельку, убедитесь, что все выводы направлены верно. Никогда не перегревайте ИМС. Если необходимо произвести пайку, используйте небольшой паяльник мощностью 35 Вт.

5. Не злоупотребляйте припоем, избегайте слишком большого стекания его на плату. Это может вызвать образование перемычек между соседними контактами и компонентами.

6. Пользуйтесь тампонами или отсосами для удаления лишнего припоя.

Электронные лампы

В настоящее время электронные лампы используются редко, поэтому мы лишь коснемся теории их работы.

Электронные лампы применяются и некоторых военных и промышленных направлениях, в радиовещании, в усилителях для гитар. Некоторые музыканты-гитаристы предпочитают более «мягкий» тип ограничения амплитуды звука усилителей на электронных лампах по сравнению с транзисторными усилителями. Помимо электронно-лучевых трубок, специалист может изредка встретить диоды, триоды, тетроды, пентоды, газовые и многоэлементные трубки.

Диодная лампа состоит из отрицательного катода и положительного анода. При нагревании отрицательный катод излучает электроны. Приложение напряжения к аноду и катоду ведет к возникновению тока в цепи. Процесс излучения электронов из катода называется термоэлектронной эмиссией. Когда полярность анодного напряжения изменяется, термоэлектронной эмиссии не происходит и тока не возникает. Это, подобное клапану, действие обеспечивает протекание заряженных частиц только в одном направлении, что позволяет использовать этот прибор в качестве выпрямителя.

Количество электронов, которые после эмиссии с катода достигают анода, в триодной лампе регулируется с помощью размещенной в виде ячеек проволоки, называемой сеткой. Эта управляющая сетка имеет отрицательный заряд по отношению к катоду. Чем более отрицательна сетка, тем меньше ток, чем менее отрицательна сетка, тем больше ток.

Отсечкой называется точка, в которой сетка становится слишком отрицательной, и ток прекращается.

Насыщением называется точка, в которой сетка наименее отрицательна, и ток между сеткой и катодом максимален.

Для минимизации межэлектродной емкости, уменьшающей усиление триода на высоких частотах, в тетродной лампе добавлена еще одна сетка, которая называется экранирующей.

В определенных случаях требуется повышенное усиление. Тогда добавляется третья сетка, которая называется защитной и лампа (пентод). Защитная сетка пентода устраняет вторичную эмиссию (неконтролируемые ускоренные электроны около анода) и обеспечивает управление этими электронами.

Мощные лампы обычно используются в соответствующих установках. Газовые, заполненные азотом или парами ртути, — в сильноточных приборах. Тиратрон — типичный пример газонаполненной трубки. Многоэлементные состоят из двух и более ламп, помещенных в единый стеклянных корпус. Пятисеточный преобразователь — образец стандартной многоэлементной лампы. Он одновременно содержит каскады гетеродина и смесителя приемника.

Для тестирования электронных ламп могут использоваться, например, следующие приемы:

♦ постукивание;

♦ осмотр;

♦ устройство проверки ламп;

♦ замена.

Хотя электронные лампы используются сегодня редко, вы можете встретить их, особенно при обслуживании старых гибридных телевизоров, электронно-лучевых трубок компьютерных мониторов, промышленного и коммуникационного оборудования. Для проверки качества лампы при работе схемы используйте пластмассовый конец отвертки. Аккуратно постучите по каждой из них, слушая и наблюдая работу схемы, например радиоприемника или телевизора. Если при постукивании что-либо слышно или видно, наблюдаются помехи в изображении, то лампа, возможно, вышла из строя. Имейте в виду, что такие же проблемы могут быть вызваны ослабленным, окислившимся контактом или некачественной пайкой.

Можно также быстро проверить исправность некоторых ламп, наблюдая за свечением нити накала. Если нить накала оборвана, то лампа не светится и не работает. Проверить ее можно также с помощью омметра. Исправная нить накала должна иметь сопротивление около 0, а при обрыве сопротивление будет бесконечно большим.

Тестер ламп может быть очень полезным инструментом, но проблемы не исключаются. Пару-тройку лет назад не было ничего более комичного, чем наблюдать любителя наборов «сделай сам», который вынимает каждую лампу из своего телевизионного приемника и несет их в ближайший магазин для проверки тестером. К сожалению, тестер не может выявить неисправности всех существующих типов ламп, но понимание назначения каждой лампы и возможностей тестера поможет сэкономить время и деньги. Например, тестеры ламп могут не соответствовать рабочим параметрам схемы. Они не могут адекватно измерять межэлектродную емкость. Кроме того, гетеродины, ограничители и лампы высокого напряжения (для которых важны характеристические кривые) трудно проверить с помощью тестера ламп. Лучший совет здесь: если сомневаетесь. найдите аналог по приемлемой цене и установите новую лампу. Это может сэкономить много времени. Но помните, что если поломка произошла из-за проблем в схеме, такой способ только повредит новому элементу. Например, если при обслуживании электронного прибора выяснилось, что лампа выпрямителя закорочена, ищите также и короткозамкнутый конденсатор. Может быть, именно фильтрующий конденсатор является источником короткого замыкания. Кроме того, перед заменой любой лампы рекомендуется тщательно проверить окружающие компоненты на наличие обугленных резисторов или других проблем.

В отличие от транзисторов, которые теоретически могут работать до бесконечности, жизнь электронных ламп ограничена вследствие изнашиваемости катода, который со временем испускает все меньше и меньше электронов. Кроме того, механические вибрации, излишнее нагревание и ток способствуют нарушению герметичности баллона лампы, что ведет к поломке. Обязательно, убедитесь, что вы используете аналог элемента в качестве замены и чистое неокисленное гнездо для лампы. Кроме того, будьте внимательны и не согните контакты.

Конденсаторы сверхбольшой емкости

Конденсаторы сверхбольшой емкости, которые также называют двухслойными или ионисторами очень вместительны. Они могут хранить в сотни раз больше энергии, чем обычные и работают за счет движения заряженных ионов. Состоят из нереактивных пористых плат, помещенных в электролитический раствор, с очень большой площадью поверхности. Электрическая энергия накапливается электростатически. Ток утечки также очень небольшой. Это обеспечивает способность конденсатора поддерживать колоссальную емкость. Ионисторы дают много преимуществ по сравнению с обычными конденсаторами и аккумуляторными батареями: быстрый заряд, высокая энергия, малый вес, высокая надежность, длительный срок службы, простота в техническом обслуживании и применяются в различных областях: в медицинских приборах, компьютерах, детских игрушках, электроинструментах, радиопередатчиках, гибридных электрических средствах передвижения, источниках резервного электропитания.

На рис. 1.36 показан пример ионнстора фирмы Maxwell Technologies, который весит всего 6,4 г, но обеспечивает емкость около 10 Ф, что является идеальным для питания малогабаритных бытовых электронных изделий.

Рис. 1.36. Ионистор 10 Ф

При использовании вместе с батареями ионисторы могут также увеличить эффективность и позволить уменьшить вес и размер батарей за счет подачи дополнительного питания при пиковых нагрузках.

Одним из наиболее популярных применений двухслойных конденсаторов является автомобильная промышленность. Они используются в рекуперативных тормозных системах, дизель-электрических автобусах и совместно с электролитическими батареями, в гибридных средствах передвижения. Ионисторы могут работать дольше, эффективнее при любом напряжении в пределах своего номинального, в более широком температурном диапазоне, чем батареи, в отличие от которых ионисторы можно установить незаряженными, чтобы затем быстро зарядить.

Использование ионисторов совместно с батареями может обеспечить отличный источник питания и энергии для гибридных средств передвижения. Они могут увеличить срок службы свинцово-кислотных аккумуляторов за счет подачи дополнительного питания при пиковых нагрузках и помочь обеспечить быстрый разгон и рекуперативное торможение. Ионистор РС2500 фирмы Maxwell Technologies имеет емкость 2700 Ф, что обеспечивает 8400 Дж энергии при напряжении 2,5 В. Это делает его идеальным для применений в гибридных средствах передвижения (рис. 1.37). К тому же он мало весит, у него небольшой ток утечки и прекрасная циклическая надежность, что делает его пригодным и для применений, не связанных со средствами передвижения, например для резервных источников питания во время прекращения подачи питания на промышленных предприятиях и в медицинских учреждениях.

Рис. 1.37. Ионистор 2700 Ф

Как и в других электрических компонентах, в ионисторах могут возникать такие неисправности, как внутренние замыкания, обрывы, утечки в ячейках, механические разрушения, которые часто связаны с внутренним напряжением вследствие излишней вибрации, термического расширения, механического повреждения или неправильного использования. Обычные тесты ионисторов включают заряд-разряд и измерение эквивалентного последовательного сопротивления. Параметры ионистора: начальное рабочее напряжение, ток разряда, минимальное напряжение под нагрузкой, напряжение после снятия нагрузки и время разряда от начального заряда до минимального напряжения — можно измерить для проверки его качества. Приложение 12 детально описывает тестовые процедуры фирмы Maxwell Technologies для проверки ионистора.

Катушки индуктивности

Катушка индуктивности представляет собой электромагнит, который используется во многих приложениях: трансформаторах, фильтрах, генераторах, фазовращателях, интеграторах и дифференциаторах. По сути катушка прспятствует всякому изменению тока, и это свойство часто называют индуктивностью. Она создает магнитное поде, которое вызывает противодействующую электродвижущую силу. Индуктивность L измеряется в Генри (Гн). Существуют различные типы катушек: без сердечника, со стальным сердечником, с ферритовым сердечником, постоянной индуктивности и переменной индуктивности.

Обычным применением для них является использование в цепях фильтров. В целом они пропускают низкие частоты и ослабляют высокие. Конденсаторы, с другой стороны, пропускают высокие частоты и ослабляют низкие. Поэтому, когда конденсаторы и катушки используются совместно, они могут работать как фильтр. Например, в звукоусилительной системе индуктивность может использоваться для ослабления высокочастотной составляющей звукового сигнала, подаваемого к низкочастотному динамику, а конденсатор может использоваться для ослабления низкочастотной составляющей сигнала в динамике высоких частот. Комбинация катушки и конденсатора может использоваться для формирования среднечастотного диапазона для динамика средних частот.

Многие изолированные проводники можно протестировать с использованием омметра. Хотя часто возникают и короткие замыкания обмоток, большинство неисправностей связаны с обрывом. При измерениях омметром катушка, в зависимости от размера и числа витков обмоток, должна иметь сопротивление от 0 до нескольких сот Ом. Как правило, чем крупнее катушка, тем больше сопротивление.

Закороченная катушка должна иметь нулевое сопротивление, а с обрывом показывать бесконечное противодействие электрической цепи. С помощью омметра может быть трудно определить, закорочена ли катушка, поскольку замыкание одного или нескольких витков может не повлиять на сопротивление катушки, которая изначально имеет небольшое сопротивление. Поэтому может быть необходимо использовать специальный измеритель индуктивности.

Вопросы для самоконтроля

Выберите наилучший ответ:

1. Какой из следующих факторов не является причиной неисправности:

а) тепло;

б) влага;

в) неправильная установка;

г) животные и грызуны;

д) никакой из перечисленных.

2. Какое из перечисленных чувств обычно не используется специалистами по поиску неисправностей:

а) зрение;

б) слух;

в) осязание;

г) вкус;

д) запах.

3. Горячее дымящееся устройство или прибор часто является признаком того, что возникла неисправность:

а) короткое замыкание;

б) замыкание на землю;

в) обрыв цепи;

г) все перечисленное;

д) ничего из перечисленного.

4. Если цепь имеет бесконечное сопротивление, эта неисправность называется:

а) короткое замыкание;

б) замыкание на землю;

в) обрыв;

г) все перечисленное;

д) ничего из перечисленного.

5. Измерения напряжения часто выполняются с помощью вольтметра или:

а) амперметра;

б) осциллографа;

в) омметра;

г) ваттметра;

д) никаким из перечисленных приборов.

6. Подача сигнала или контроль за его прохождением — это метод, который часто используется специалистами при поиске неисправностей:

а) электродвигателей;

б) проводки бытового назначения;

в) промышленной проводки;

г) радио;

д) любого из перечисленных.

7. Метод, при котором компонент с подозрением на неисправность заменяется другим, называется:

а) обход;

б) замена;

в) шунтирование;

г) оба: «б» и «в».

8. Соединение с холодной пайкой лучше всего исправить с помощью:

а) замены;

б) шунтирования;

в) повторной пайки;

г) охлаждения;

д) замораживания.

9. Когда вы используете пошаговый анализ при поиске неисправностей, первым шагом должен быть:

а) обсуждение дефекта с заказчиком;

б) сбор сервисной информации;

в) выбор метода поиска неисправностей;

г) ремонт;

д) все, указанное выше.

10. Диаграмма, которая иллюстрирует компоненты изделия или прибора, называется:

а) однолинейная схема;

б) принципиальная схема;

в) калька;

г) эскизная схема;

д) схематический чертеж.

11. Компонент, в котором произошел обрыв, имеет:

а) нулевое сопротивление;

б) бесконечное сопротивление;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного;

д) небольшое сопротивление.

12. Годный плавкий предохранитель должен иметь:

а) нулевое сопротивление;

б) бесконечное сопротивление;

в) небольшое сопротивление;

г) оба: «а» и «б»;

д) ничего из перечисленного.

13. Физическая величина резистора, которая определяет способность резистора рассеивать тепло, измеряется в:

а) омах;

б) вольтах;

в) ваттах;

г) фарадах;

д) ничего из перечисленного.

14. Новый, полностью заряженный кислотный аккумулятор при измерении напряжения должен показывать:

а) более 12 В;

б) 2 В;

в) 11 В;

г) 12 В;

д) иное.

15. Конденсаторы можно проверить:

а) омметром;

б) пробой на искру;

в) шунтированием;

г) только «б» и «в»;

д) «а», «б» и «в».

16. Для изготовления кристалла р-типа:

а) добавляется пятивалентный галлий;

б) добавляется трехвалентный индий;

в) добавляется пятивалентная сурьма;

г) добавляется трех валентный мышьяк;

д) ничего из перечисленного.

17. Термин «акцептор» употребляется для обозначения:

а) добавление пятивалентного элемента в кристалл;

б) добавление трехвалентного элемента в кристалл;

в) оба «а- и «б»;

г) ничего из перечисленного выше.

18. Фактически транзистор представляет собой:

а) один диод;

б) два диода, включенные встречно;

в) три диода, включенные встречно;

г) четыре диода, включенные встречно;

д) ничего из перечисленного.

19. Высокий коэффициент усиления по напряжению и низкий коэффициент усиления по току являются характеристиками:

а) схемы с общей базой;

б) схемы с общим эмиттером;

в) схемы с общим коллектором;

г) оба «а» и» в»;

д) ничего из перечисленного.

20. Если рабочее напряжение коллектора транзистора намного меньше нормального, это может означать:

а) неисправный фильтр;

б) обрыв в резисторе;

в) обрыв в транзисторе;

г) замыкание в транзисторе;

д) ничего из перечисленного.

21. Для отключения транзистора для поиска неисправностей:

а) закоротить эмиттер и базу;

б) закоротить базу и коллектор;

в) закоротить затвор и анод;

г) «а» или «б»;

д) ничего из перечисленного.

22. Тиристор можно рассматривать как встречное включение ___ диодов, и он состоит из анода, катода и ___.

а) двух, анода;

б) трех, управляющего электрода;

в) четырех, базы;

г) двух, эмиттера;

д) трех, анода.

23. Когда вы проверяете ИМС, работоспособность которых изменяется в зависимости от температуры, наилучшим методом является:

а) проверка напряжения;

б) проверка сопротивления;

в) нагревание и /или замораживание;

г) проверка тока;

д) шунтирование.

24. Лампа с тремя сетками это:

а) триод;

б) тетрод;

в) пентод;

г) многосеточная лампа;

д) мощная лампа.

25. Какой из перечисленных способов не используется обычно при поиске неисправностей электронных ламп:

а) постукивание;

б) устройство проверки ламп;

в) «Шунтирование»;

г) замена;

д) оба: «а» и «б».

26. Затвор в полевом транзисторе обычно:

а) обратно смещен;

б) прямо смещен;

в) не смещен;

г) ничего из перечисленного.

27. МОП транзистор часто называют:

а) полевой транзистор;

б) биполярный транзистор;

в) полевой транзистор с изолированы затвором МДП;

г) тиристор.

28. МОП транзистор с индуцированным p-каналом проводит при:

а) прямом смещении;

б) обратном смещении;

в) нулевом смещении;

г) ничего из перечисленного.

29. Ток в МОП транзисторе с индуцированным n-каналом уменьшается при:

а) прямом смещении;

б) обратном смещении;

в) нулевом смещении;

г) ничего из перечисленного.

30. Ионистор иначе называется:

а) двухслойный конденсатор;

б) диэлектрический конденсатор;

в) конденсатор накопления энергии;

г) электростатический конденсатор.

Вопросы и проблемы

1. Перечислите и поясните семь причин выхода из строя электронных и электрических устройств.

2. Перечислите и поясните четыре чувства, которые обычно используются при поиске неисправностей.

3. Каковы четыре причины неисправностей в схемах? Расскажите, чем они отличаются друг от друга.

4. Каковы характеристики короткого замыкания?

5. Каковы характеристики обрыва в схеме?

6. Каковы характеристики замыкания на землю в схеме?

7. Каковы характеристики наличия механических проблем в схеме?

8. Объясните разницу между терминами «шунтирование» и «замена».

9. Опишите метод контроля прохождения сигнала.

10. Перечислите и объясните различные типы технических чертежей.

11. Опишите способы поиска неисправностей конденсаторов.

12. Назовите несколько типов конденсаторов.

13. Опишите структуру диода.

14. Объясните, как тестировать диод.

15. Что такое кристаллический детектор?

16. Опишите структуру транзистора.

17. Опишите, как тестировать транзистор.

18. Опишите, как тестировать тиристор.

19. Опишите различные методы, которые используются для поиска неисправностей транзисторов.

20. Опишите различные методы, которые используются для поиска неисправностей интегральных микросхем.

21. Опишите различия между некоторыми типами электронных ламп.

22. Опишите основные способы проверки электронных ламп.

23. Почему использовать специальные тестеры для проверки электронных ламп следует с осторожностью?

24. Что такое тиристор?

25. Что такое тиратрон?

26. Расскажите, как проверять полевой транзистор.

27. Что такое МОП?

28. Расскажите о различных типах МОП-транзисторов.

29. Расскажите, как проверить МОП-транзистор.

30. На что следует обратить особое внимание при транспортировке и работе с МОП-транзисторами?

Глава 2

Контрольно-измерительные приборы для электронных устройств

По мере того как электронное оборудование и изделия становятся все более сложными, постоянно возрастает потребность в средствах их тестирования. В настоящее время используются сотни различных приборов, предназначенных для этого. Правильное использование оборудования увеличивает быстроту и точность локализации и корректировки проблемы. В данной главе представлены некоторые наиболее популярные типы тестовых инструментов, которые используются специалистами.

Общий обзор

Мастер, прежде всего, должен определить соотношение затрат и результатов при финансовых вложениях в контрольно-измерительное оборудование и помнить о том, что затраты могут не оправдать ожиданий. Ошибка в расчетах, по причине отсутствия качественного оборудования влечет за собой негативные эмоции от безрезультатной работы и коммерческие потерн. Выбирая средства тестирования, необходимо принимать во внимание:

♦ надежность;

♦ единство измерений;

♦ международные стандарты;

♦ службы поверки;

♦ срок службы;

♦ специфику снятия измерений и их представления;

♦ точность и функциональные возможности контрольно-измерительных приборов.

Перед использованием устройства обязательно прочитайте руководство по эксплуатации. Невнимание многих специалистов к этой процедуре приводит к удивительно большому числу неточных измерений, неправильному использованию прибора. По этой причине, как правило, многие его возможности остаются плохо изучены мастером. Не забывайте также о специализированной литературе, которая дает расширенную информацию о способах применения контрольно-измерительной аппаратуры и правилах ее использования.

Мультиметр, ампервольтомметр, мультиметр на полевых транзисторах, цифровые универсальные измерительные приборы

В течение многих лет вольтоммиллиамперметр (ампервольтомметр) был очень популярным переносным прибором (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Ампервольтомметр

Этот аналоговый прибор идеален для измерений меняющихся величин, что является сложной задачей для цифровых приборов. Многие специалисты по поиску неисправностей, особенно работающие в области промышленной электрики, предпочитают наблюдать движения стрелки такого прибора, а не «бегающие» цифровые показания. В современные ампервольтомметры встроены схемы защиты прибора на основе предохранителей и диодов.

Одним из недостатков вольтомметров является то, что импеданс прибора при определенных условиях может дополнительно нагрузить схему и повлиять на измерения напряжения. Поэтому результаты иногда бывают неточны. Минимальная погрешность, как правило, не влияет на итоговые показатели оборудования промышленной электрики, но в значительной степени определяет диагностику электронных схем.

Мультиметр на полевых транзисторах не создает дополнительную нагрузку за счет своего высокого входного импеданса и наличия стабилизированного источника питания. Этот измерительный прибор представляет собой переносное многофункциональное устройство, которое используется для технического обслуживания аппаратуры в самых разных областях.

Цифровой мультиметр является, наверное, самым популярным среди специалистов, чья деятельность требует очень высокой точности, например, в лабораторных условиях и при работе с цифровой техникой (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Цифровой мультиметр с двойным дисплеем

Этот прибор использует схемы, которые формируют показания в цифровом виде с помощью светодиодных знакосинтезирующих индикаторов. Более сложные устройства такого типа используют графические экраны, формирующие изображения подобно осциллографу.

Высокоэффективный цифровой мультиметр снабжен многофункциональным флуоресцентным двойным дисплеем на 5 разрядов с возможностью выбора диапазонов измерений и точности. Например, пользователь может наблюдать два параметра сигнала в одной точке, снимая показания последовательно и одновременно. Это позволяет специалисту повысить гибкость оценки ситуации в применениях, которые требуют двух раздельных измерений одного и того же сигнала. Цифровой мультиметр обычно выполняется в виде переносного прибора со стандартными заменяемыми батареями. Некоторые устройства имеют интерфейс связи с персональным компьютером для автоматической записи результатов работы. Все эти преимущества, а также высокая точность делают этот контрольно-измерительный прибор очень популярным при проверке цифрового оборудования в стационарных условиях.

Осциллограф

В самом упрощенном виде осциллограф представляет собой вольтметр с электронно-лучевой трубкой. Однако у новичка этот прибор, со всеми его органами управления и видеоэкраном, вызывает одновременно восхищение и смущение. Осциллограф может быть одним из наиболее ценных типов оборудования при поиске неисправностей.

Основным преимуществом данного устройства является то, что оно предоставляет изображение формы измеряемого сигнала. Большинство осциллографов используют вертикальное и горизонтальное электростатическое отклонение луча электронной пушки с помощью двух пар вертикальных и горизонтальных пластин.

Хотя осциллограф широко используется для определения амплитуды напряжения, с его помощью можно измерять частоту, период, наблюдать фронты волновых сигналов, фазовый угол и частотные характеристики (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Осциллограф

Основные органы управления осциллографом и их функции.

1. Интенсивность — управление яркостью электронного луча.

2. Фокус — регулировка ширины луча.

3. Управление но вертикали — управление положением электронного луча по вертикали.

4. Управление по горизонтали — управление положением электронного луча по горизонтали.

5. Усиление по вертикали — регулирует высоту представления формы сигнала.

6. Усиление по горизонтали — регулирует ширину представления формы сигнала.

7. Управление разверткой — регулирует частоту генератора горизонтальной развертки.

8. Селектор синхронизации — позволяет выбрать внешнюю или внутреннюю синхронизацию.

9. Регулировка по оси Z — изменяет модуляцию следа сигнала.

10. Шкала калибровки — предоставляет шкалу для измерений колебаний напряжения.

Настройка осциллографа обычно выполняется следующим образом:

1. Поставьте регуляторы интенсивности, фокуса и синхронизации на минимум.

2. Установите регуляторы по вертикали и горизонтали в среднее положение.

3. Включите осциллограф и установите регулятор интенсивности на минимальную яркость.

4. Дайте осциллографу нагреться в течение 1–2 мин и регулятором фокуса установите контрастность.

5. Установите сигнал в центр с помощью соответствующих регуляторов.

6. Подключите источник переменного тока 6,3 В к входу по вертикали для калибровки.

7. Поскольку напряжение 6,3 В является среднеквадратичным значением амплитуды синусоиды 9 В (или двойной амплитуды 18 В), установите усиление по вертикали на диапазон 1,8 делений (рис. 2.4).

8. Настройте синхронизацию, чтобы появилась статическая картинка трех периодов синусоидальной кривой.

9. Теперь осциллограф настроен и откалиброван.

Рис. 2.4. Откалиброванный экран осциллографа

Каждое деление отныне соответствует 10 В. Для измерений других напряжений можно использовать аттенюатор, который позволяет умножить цену деления на 0,1, 1,10 и т. д.

С помощью внутреннего калибратора, можно настроить осциллограф на цену деления 1 В.

Более сложные измерительные приборы имеют встроенные калибраторы, отдельные и независимые средства работы с запуском, средства поиска луча.

Обычно, наряду с осциллографом, используются три основных пробника:

1. С низкой емкостью.

2. С детектором (радиочастотный).

3. С делителем напряжения.

Пробник с низкой емкостью обычно используется для измерения в схемах с высокой частотой или высоким импедансом. При использовании этого пробника уменьшается нагрузочный эффект, что повышает точность измерений.

Пробник с детектором (радиочастотный) нередко используется для измерения радиочастотных сигналов, когда до его демонстрации на осциллографе сигнал сначала необходимо обнаружить.

Пробник с делителем напряжения используется, когда измеряемое напряжение больше максимально допустимого, и его необходимо уменьшить. Обычный коэффициент деления 10:1 или 100:1.

Выбирая осциллограф, необходимо учитывать: полосу пропускания, которая может изменяться от 10 МГц (мегагерц) до более чем 100 МГц, время нарастания сигнала, запуск и другие специфические условия. Могут быть очень серьезные различия при измерениях формы сигнала между двумя осциллографами, особенно при измерениях параметров цифровых импульсов.

Например, для работы с автомобильной техникой вполне достаточно иметь осциллограф с полосой пропускания 10 МГц, а для настройки видеоаппаратуры и промышленных программируемых устройств потребуется более высокочастотный прибор.

Важны также различия между аналоговым и цифровым осциллографом. Первый обычно стоит дешевле и лучше приспособлен для измерений аналоговых и высокочастотных сигналов, в то время как второй используется для специальных измерений в цифровых системах с накоплением информации. Современные технологии предлагают сейчас аналого-цифровые приборы, которые совмещают цифровую запись с традиционными для аналоговых измерителей органами управления.

Другие специальные применения требуют возможностей записи формы сигнала. Типичным примером является аппаратура электромиографии, которая используется в биомедицинской диагностике. Это устройство использует встроенный осциллограф для измерения электрических импульсов и скорости нервной проводимости при стимуляции мышц и обеспечении чувствительности. Говоря простым языком, электроды регистрируют активность зарядов, перемещающихся от одной точки тела к другой, и мышечную или нервную активность за определенный период времени. Для пользователя важно, чтобы он мог наблюдать больше одного сигнала, наблюдать сигнал в статике, сразу получить твердую копию на принтере или сохранить его форму для сравнения результатов. Мастер по поиску неисправностей может использовать специальные возможности запуска, например ждущую развертку или увеличение времени нарастания импульса.

Специальное контрольно-измерительное оборудование

В настоящее время существуют сотни приборов самого разного назначения. Вот некоторые из наиболее востребованных:

♦ тестер транзисторов;

♦ тестер конденсаторов;

♦ частотомер;

♦ генератор сигналов;

♦ мегомметр;

♦ тестер напряжения;

♦ токоизмерительные клещи;

♦ неоновый тестер напряжения;

♦ тестовая лампа;

♦ цифровой логический импульсный генератор;

♦ цифровой логический пробник;

♦ прибор для проверки обмоток;

♦ оптический рефлектометр наблюдения за формой;

♦ измеритель напряженности поля;

♦ сетевой анализатор;

♦ набор для поиска неисправностей логических устройств.

Тестеры транзисторов представляют собой очень точные приборы контроля исправности диодов и транзисторов. Они также могут проверить характеристики этих компонентов, как в схеме так и вне ее, позволяют измерять ток утечки и коэффициент усиления по току транзисторов и автоматически идентифицировать эмиттер, коллектор и базу (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Тестер транзисторов

Эти устройства контроля часто являются многоцелевыми приборами со звуковой и визуальной индикацией. Когда транзистор находится вне схемы, можно измерить ток утечки. Для этих приборов используются гибкие пробники с зажимами и штыревыми контактами, обеспечивающими быстрые и удобные измерения. Их можно также легко использовать при работе с транзисторами, установленными на печатные платы.

Тестеры конденсаторов проверяют качество элементов электрической цепи, как в схеме, так и вне ее, что позволяет ускорить поиск неисправностей. Эти приборы определяют характеристики неизвестных конденсаторов. Кроме того можно установить величину коэффициента мощности, утечку, обрыв; другие дефекты. Имейте в виду, что истинную емкость конденсатора можно правильно измерить только тогда, когда он находится вне схемы.

Тестеры — очень чувствительные приборы, и могут регистрировать даже очень маленькую утечку. Проверяя электролитические конденсаторы, в отличие от других типов, важно измерить их коэффициент мощности. Запомните, что нельзя касаться выводов тестера при включенном напряжении! Это может вызвать сильный удар током.

Частотомеры используются для измерения временных параметров сигналов в герцах (ГЦ) электронных устройств. Они нередко используются при регулировке частоты радиоприемников и передатчиков и порой необходимы при исследованиях и экспериментах. Обычно эти устройства обладают автоматическим запуском, высокостабильным таймером, входной защитой от превышения напряжения, и могут быть выполнены в виде переносных устройств. Большинство частотомеров работают в диапазоне 10 Гц до 100 МГц и до 1,3 ГГц. Некоторые из них имеют наборы дополнительных приспособлений, например термостатированный кварцевый генератор для обеспечения температурной стабильности измерений, а также возможность записи и хранения результатов измерений (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Частотомер

Существуют различные типы генераторов сигналов. Низкочастотные вырабатывают сигналы в звуковом диапазоне, а высокочастотные — в радиочастотном. Оба прибора генерируют синусоидальные или прямоугольные сигналы, имеют встроенные аттенюаторы и обеспечивают выход с малыми искажениями.

Генератор шума представляет собой небольшой ручной пробник, вырабатывающий широкополосные сигналы, который удобен при налаживании радиоприемников. Он посылает сигналы в широком диапазоне (от 1 кГц до 30 МГц) звуковых и радиочастот.

Генератор меток вырабатывает смодулированный сигнал и используется для идентификации частот на амплитудно-частотной характеристике при настройке телевизионных устройств.

При настройке телеприемников также используется генератор качающейся частоты. Он вырабатывает частотно-модулированный сигнал в желаемом диапазоне.

Генератор качающейся частоты и генератор меток обычно конструктивно выполняется в виде единого устройства.

Телевизионные генераторы, как правило, имеют большую ширину полосы качания, чем у стереоприемников с частотной модуляцией. В этих приборах нередко предусмотрен и генератор цветового сигнала, который формирует калибровочный цветовой сигнал для сведения лучей телевизора. Они обеспечивают образцовые сигналы: чистого растра, точек, сетчатого поля, цветовых полос, горизонтальных и вертикальных линий.

Прибор, который используется при настройке и ремонте телевизионного и стереоприемного оборудования и обеспечивает режим модуляции нескольких каналов, называется генератор сигнала ТВ/стерео (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Генератор ТВ/стерео сигналов

Используя генераторы сигналов, необходимо предпринять некоторые меры предосторожности.

Прибор должен быть надлежащим образом заземлен, то же касается и других контрольно-измерительных устройств — осциллографа и мультиметра, иначе это может обернуться неточными измерениями. Меняйте положение точки заземления каждый раз. когда вы перемещаете пробник в другую точку при отслеживании видео, радиочастотных или импульсных сигналов. Помните, что выходной импеданс генератора должен быть согласован со схемой. В случае ошибки может уменьшиться коэффициент усиления. Существуют специальные согласующие щупы и пробники с переменным импедансом. Также очень удобно пользоваться руководствами изготовителей по регулировке амплитуды выходного сигнала, калибровке, коэффициентами линейности, искажений. Наконец, помните, что не следует начинать перенастраивать схему до того, как вы полностью провели поиск неисправностей устройства. Исправление схемы может решить многие проблемы настройки.

Мегомметр служит для измерения сопротивления изоляции. Он используется для проверки электрического сопротивления изолятора, показывая сопротивление в соответствии с подаваемым напряжением.

Напряжение мегомметра создается с помощью встроенного электромеханического генератора с ручным приводом, батареи или источника питания.

Есть разные типы мегомметров — карманные и малогабаритные с бесколлекторными генераторами и рукояткой. Качество изолятора с точки зрения сопротивления определяется его способностью выдерживать напряжение без утечки, больше расчетной. Пробой изоляции и ухудшение ее свойств могут быть вызваны различными факторами: колебаниями температуры, коррозией, водой, вибрацией, загрязнениями и износом.

Мегомметр можно использовать для такого оборудования как двигатели, генераторы, трансформаторы, кабели, провода, переключатели, терминалы. Такие приборы также выполняются в цифровом и аналоговом варианте. Встречаются и комбинированные. Испытательное напряжение обычно составляет 50-5000 В постоянного тока (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Мегомметр

Настоящие специалисты по ремонту промышленного оборудования не работают без индикатора напряжения, этого удобного и грубого прибора, который обычно используется для измерений в диапазоне 110–600 В переменного тока (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Индикатор напряжения

Он является быстрым и надежным инструментом проверки напряжения в линиях и распределительных щитах. Для специалиста, работающего в сфере промышленности, точность не важна. Обычно его интересует, работает ли цепь, и какова приблизительная величина напряжения: 120, 240, 480 или 600 В.

Специальный тип индикатора напряжения, который называется высоковольтный пробник, рассчитан на 40 кВ постоянного тока. Он используется при работе с рентгеновскими аппаратами и электронно-лучевыми трубками телевизоров и мониторов компьютеров.

Высоковольтные измерители для линий передачи представляют собой специализированные вольтметры, которые используются для проверки трансформаторов и линий высокого напряжения. Эти приборы часто называют «штангой для работы под напряжением» за их длинные ручки.

Они содержат высоковольтные резисторы, покрытые эпоксидной смолой, которые ограничивают ток при полном напряжении. Эти устройства могут измерять напряжения более 145 кВ.

Аксессуары включают различные изолированные и неизолированные пробники проходной изоляции, проверочные тестеры, удлинительные штанги, графопостроители и фазирующее оборудование.

Токоизмерительные клещи подобны индикатору напряжения, но они используются для измерения х переменного и постоянного тока промышленного назначения (рис. 2.10). Этот прибор содержит зажимы так называемого «трансформатора тока», которые кольцеобразно охватывают проводник, не разрывая цепь. Эти переносные устройства, являющиеся достаточно грубыми, часто используются с аналоговыми вольтомметрами и цифровыми мультиметрами. Они обычно работают с переменным током от 100 мА до 500 А. Как и в случае индикатора напряжения, основным преимуществом данного прибора является возможность быстрого и точного измерения в промышленных сетях.

Рис. 2.10. Токоизмерительные клещи

Специализированные токоизмерительные клещи с большим крюком и зажимом используются в системах передачи высокого напряжения и могут проводить измерения на одной или нескольких линиях или шинах. Они предназначены для измерения токов свыше 2 кА. К числу дополнительного оборудования относятся удлинительные штанги, цифровые дисплеи, органы управления на основе регулируемых трансформаторов, конденсаторы, устройства фиксации прибора и записи измерений.

Неоновый индикатор представляет собой простой прибор для проверки наличия напряжения в цепи. Этот инструмент чаще всего используется при поиске неисправностей бытовой проводки. Простой в обращении, легкий и дешевый прибор, снабженный неоновой лампой для индикации наличия, но не измерения напряжения (рис. 2.11).

Рис. 2.11. Неоновый индикатор напряжения

Тестовая лампа — это простой прибор, который используется для проверки целостности цепи. Иногда его предпочитают омметру, поскольку лампа позволяет смотреть на измеряемую цепь и на контакты прибора, а не на шкалу омметра. Типичным применением является ремонт электродвигателей и генераторов в небольших устройствах. На рис. 2.12. показан пример конструкции простой тестовой лампы.

Рис. 2.12. Простая тестовая лампа

Логический импульсный генератор вырабатывает одиночный положительный или отрицательный импульс при нажатии кнопки запуска. Если удерживать кнопку, вырабатывается последовательность импульсов. Другие типы подобных устройств имеют дополнительные возможности: автоматический выбор полярности, изменение параметров импульсов (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Ручной цифровой логический пробник

Логический пробник используется для диагностики состояния (высокий или низкий уровень логического сигнала) за счет сравнения его с пороговыми уровнями для данного типа устройств, дает возможность быстрого тестирования и устраняет необходимость в дорогих, громоздких осциллографах или вольтметрах. Существует много различных типов логических пробников, которые имеют такие опции, как память, защита от перегрузки, высокоскоростное тестирование. На рис. 2.14 показана комбинация мультиметра и логического тестового прибора.

Рис. 2.14. Индикатор напряжения

Этот прибор включает цифровой мультиметр с восемью функциями и большим цифровым светодиодным дисплеем, полную индикацию и автоматический или ручной выбор режимов работы. Логические мониторы аналогичны пробникам подобного типа, но позволяют при необходимости подключиться к выводам микросхем, контрольным точкам или шине контроля.

Два обычных монитора — 16-канальный и 40-канальный. Эти приборы имеют разнообразные задачи при поиске неисправностей микропроцессоров и системах управления технологическими процессами.

Прибор дм проверки обмоток бывает двух типов — внутренний и внешний — и используется при проверке ротора и статора электродвигателей, генераторов на короткое замыкание. Состоит из катушки со стальным сердечником. При подаче в катушку переменного тока возникает магнитный поток между прибором и исследуемым устройством, заставляющий вибрировать сердечник, который издает при этом рычащий звук.

Для тестирования устройств вместе с прибором для проверки обмоток используется узкая полоска стали (зонд), подобная ножовочному полотну. Она размещается параллельное исследуемым устройством и прибором. Если в устройстве произошло короткое замыкание обмоток, непосредственно над закороченной катушкой образуется сильное магнитное поле, заставляя зонд угрожающе вибрировать и тянуться вниз. В шумном помещении часто вместе с прибором используется лампочка, которая светится ярче при коротком замыкании.

Некоторые приборы для проверки обмоток имеют дополнительные опции: встроенный амперметр или зонд, который служит для тестирования небольших неисправных катушек, обратных катушек или регуляторов коэффициента мощности (рис. 2.15).

Рис. 2.15. Образец внутреннего прибора для проверки обмоток

Прибор, который используется при поиске неисправностей и установке распределенных систем телевидения — это измеритель уровня сигнала (или измеритель напряженности поля). Этот прибор дает точные данные в диапазоне метровых (MB), дециметровых (ДМВ) волн и имеет встроенный громкоговоритель. Он представляет собой вольтметр, настроенный на радиочастоты, со шкалой в микровольтах или децибелах. Прибор наиболее часто применяется с целью позиционирования антенн и настройки уровня сигналов. К числу других применений относятся измерения вносимых потерь, коэффициента усиления, сигнала промежуточных каналов, обратных потерь (коэффициента стоячей волны), уровня шума.

Оптический рефлектометр наблюдения за формой сигнала является узкоспециализированным прибором, используемым при проверке оптоволоконных сетей (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Оптический рефлектометр

Его можно использовать при тестировании потери сигнала и нарушениях передачи в многомодовом оптоволокне. Некоторые устройства состоят одновременно из двух модулей с излучением двойной длины волны, что позволяет проводить оптическое тестирование с двойной длиной волны.

Например, прибор TFS 3031 Ranger 2 фирмы Tektronix Inc. имеет зону нечувствительности 3,5 м, регулируемый порог отражательной способности 15–60 дБ, внутреннюю память на 100 сигналов и возможность локализации конца оптоволокна на расстоянии более 175 км.

Анализатор схем, спектра и формы волнового сигнала представляет собой сложный модуль, используемый в медицинских исследованиях речи, гидроакустике, сонарах, анализе машин с вращательным движением, структурном анализе. Этот прибор оцифровывает сигнал при считывании формы волны с точностью до 3,5 млн. точек и анализирует спектр в динамическом диапазоне до 90 дБ (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Анализатор схем, спектра и формы волнового сигнала

Диагностический комплекс для поиска неисправностей логических устройств позволяет проводить статическое, динамическое и многоконтактное тестирование ИС. Такие приборы могут быть очень удобными и эффективными при локализации дефектов (рис. 2.18).

Рис. 2.18. Набор для поиска неисправностей цифровых логических устройств

Другой тип логического анализатора показан на рис. 2.19. Это сверхскоростной прибор для решения сложных системных проблем.

Рис. 2.19. Логический анализатор

Он позволяет стробировать любые входные сигналы с частотой 2 ГГц, обрабатывает информацию в реальном масштабе времени и запускается без потерь важных данных о переменных характеристиках сигнала. Эти приборы совместимы со стандартными устройствами plug-and-play, полностью совместимы при переносе с одного главного компьютера на другой, поддерживают многие типы микропроцессоров и обеспечивают одновременный анализ состояния и временных характеристик, используя те же пробники.

Существует несколько типов калибровочных приборов, используемых при поиске неисправностей и техническом обслуживании.

Многофункциональный калибратор измеряет температуру, давление, напряжение, ток и сопротивление. Он снабжен:

♦ двухстрочным алфавитно-цифровым жидкокристаллическим дисплеем с подсветкой, который способен демонстрировать входные и выходные значения измеряемых величин;

♦ памятью для хранения программ эмуляции;

♦ цифровым выходом;

♦ программно-аппаратным интерфейсом RSA 232 (рис. 2.20).

Рис. 2.20. Многофункциональный калибратор

Использование тестовых пробников

Все контрольно-измерительные приборы поставляются с тем или иным типом пробника или щупа. Однако очень важно, чтобы специалист сделал правильный выбор в соответствии с устройством, с которым он намеревается работать.

Дешевые пробники могут состоять только из одного провода с контактом или простой схемы RC:

♦ пробники с аттенюатором 10:1 наиболее распространены:

♦ активные пробники напряжения имеют более сложное внутреннее устройство, например каскады на полевых транзисторах для измерения в схемах, которые требуют минимальной нагрузки, вызванной подключением прибора; специальных уровней логического напряжения и высокоскоростного анализа в цифровых цепях;

♦ пассивные пробники напряжения, не содержащие активные элементы, применяются в аналоговых и цифровых устройствах общего назначения;

♦ осциллографы используют множество тестовых пробников.

В других случаях могут использоваться пробники со средствами переключения диапазонов, автоматической компенсацией показаний электронно-лучевой трубки, демодуляторами, низкой емкостью, высоким напряжением и импедансом.

Каждый специалист должен иметь набор проводов с зажимами, защелок, зажимов типа «крокодил» для временных соединений и перемычек при работе с неисправными компонентами. К числу других приспособлений относятся миниатюрные бокорезы, плоскогубцы, торцевые гаечные ключи для шестигранных соединений, ключи для шпонок, увеличительные стекла и пинцеты.

Вопросы для самоконтроля

Выберите правильный ответ:

1. Какой измерительный прибор имеет интерфейс с персональным компьютером и обычно используется для очень точных измерений в лабораторных условиях:

а) TVM;

б) ампервольтомметр;

в) VTVM;

г) ампервольтомметр на полевых транзисторах;

д) цифровой мультиметр.

2. Осциллограф широко используется для измерения:

а) напряжения в системах дистанционного управления;

б) среднего напряжения;

в) эффективного напряжения;

г) размаха напряжения;

д) ничего из перечисленного.

3. Регулятор, который настраивает частоту горизонтальной развертки осциллографа:

а) усиление по горизонтали;

б) регулятор по оси Z;

в) аттенюатор;

г) выбор синхронизации;

д) управление разверткой.

4. Необходимый пробник, который обычно используется с осциллографом при измерении в цепях с высокой частотой или высоким импедансом:

а) пробник с детектором;

б) пробник с малой емкостью;

в) делитель напряжения;

г) пробник с генератором шума;

д) ничего из перечисленного.

5. Регулировка высоты сигнала на экране осциллографа производится с помощью:

а) управления разверткой;

б) регулятора по оси Z;

в) выбора синхронизации;

г) усиления по горизонтали;

д) усиления по вертикали.

6. Для проверки ротора на короткое замыкание часто используется:

а) ампервольтомметр;

б) VTVM;

в) мегомметр;

г) устройство проверки обмоток;

д) ничего из перечисленного.

7. Измерительный прибор для проверки сопротивления изоляции называется:

а) тестер транзисторов;

б) индикатор напряжения;

в) магнитометр;

г) мегомметр;

д) ничего из перечисленного.

8. Небольшой ручной пробник с генератором, который используется при отслеживании сигналов приемников, называется:

а) генератор звуковой частоты;

б) генератор радиочастоты;

в) генератор развертки;

г) генератор меток;

д) генератор шума.

9. Дополнительный пробник осциллографа, который используется для обнаружения сигнала, называется:

а) делитель напряжения;

б) пробник с низкой емкостью;

в) пробник звуковой частоты;

г) направленный пробник;

д) пробник с детектором.

10. Регулятор осциллографа, который позволяет использовать внешнюю или внутреннюю синхронизацию, это:

а) управление разверткой;

б) регулировка по оси Z;

в) фокус;

г) выбор синхронизации;

д) интенсивность.

Вопросы и проблемы

1. Объясните разницу между ампервольтметром и прибором на основе полевых транзисторов.

2. Что такое цифровой мультиметр?

3. Расскажите о процедуре настройки осциллографа перед работой.

4. Объясните, как калибровать осциллограф.

5. Что такое пробник с низкой емкостью?

6. Что такое пробник с делителем напряжения?

7. Что такое пробник с демодуляцией или радиочастотный пробник?

8. Расскажите, для чего используется мегомметр.

9. Где используется генератор меток?

10. Что такое неоновый индикатор напряжения?

11. Расскажите о назначении оптического рефлектометра для наблюдения за формой сигнала.

12. Какая разница между логическим пробником и цифровым логическим импульсным пробником?

13. Расскажите о назначении анализатора схемы, спектра и формы сигналов.

14. Расскажите о функциях генератора ТВ/стереосигналов.

15. Для тестирования каких типов оборудования обычно используется высоковольтный пробник?

16. Расскажите о работе устройства проверки обмоток.

17. Расскажите о характеристиках амперметра для высоковольтных линий передачи.

18. Какие специальные требования предъявляет к осциллографу электромиограф?

19. Расскажите о применении и типах высоковольтных вольтметров.

20. Расскажите о типичных применениях тестовых ламп.

Глава 3

Сервисное обслуживание двигателей и генераторов

Электрические двигатели принадлежат к числу наиболее широко используемых в бытовых, коммерческих и промышленных областях. Понимание основ их обслуживания дает возможность заниматься сервисом и другого оборудования.

После появления высоких технологий потребность в электрических двигателях возросла. Были разработаны новые конструкции энергосиловых машин и расширились их возможности.

Электрические генераторы также используются в различных направлениях: от оборудования до автомобильной промышленности. Хотя генератор во многом похож на двигатель, каждый из них имеет специфические особенности и задачи.

В этой главе дается обзор базовых принципов работы двигателей и генераторов, а также методы поиска неисправностей и ремонта.

Основные сведения

Конструкция и теория работы электродвигателей во многом повторяет методы подхода и строение генераторов.

Двигатель представляет собой устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую (рис. 3.1). Генератор делает прямо противоположное. Простой генератор постоянного тока можно превратить в электродвигатель, подключив аккумуляторную батарею к зажимам щеток.

Рис. 3.1. Упрощенная конструкция электрического двигателя

Ток подается к якорю от батареи и превращает его в электромагнит. Якорь имеет «северный» и «южный» полюса, расположенные рядом с одноименными полюсами магнита статора. В результате якорь начинает вращаться, поскольку крайние точки отталкиваются друг от друга, как показано на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Вращательное действие упрощенного электродвигателя

Якорь продолжает вращаться, потому что коллектор постоянно меняет ориентацию его полюсов. Такой тип двигателя называется репульсионным. Для увеличения его эффективности на полюсах магнита и на якоре устанавливаются несколько катушек. Это повышает мощность двигателя и делает его работу более равномерной.

Типичный электродвигатель состоит из якоря, обмотки возбуждения, торцевых пластин, подшипников, корпуса, щетки, выключателя и основания (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Основные детали электродвигателя

Большинство из них, несмотря на различия по конструкции и характеру работы, содержат статор (внешняя часть из электрических обмоток двигателя), ротор и торцевые крышки (или торцевые пластины).

Статор обычно изготавливается из множества стальных пластин. Этот набор с оксидным покрытием сваривается в оболочке статора, что уменьшает вихревые токи и нагрев сердечника во время работы двигателя.

Проволочные обмотки состоят из большого количества витков. Важно, чтобы каждая катушка была тщательно собрана, иначе вся обмотка может оказаться закороченной, мотор перегреется и прекратит работу.

Фазные роторы постоянного тока и индукционные роторы переменного тока. Фазный ротор постоянного тока имеет коллектор и используется также для универсальных двигателей переменного тока. Как и статор, имеет многослойную металлическую структуру с катушками из провода и лаковой изоляцией. Индукционные роторы не имеют проволочных обмоток или коллектора.

Ротор переменного тока состоит из нескольких металлических слоев с алюминиевыми, медными и/или стальными стержнями. Эта конструкция обеспечивает индуктивность с малым выделением тепла. Иногда для уменьшения нагрева на валу ротора устанавливаются лопасти, играющие роль вентиляторов. Роторы собираются так, чтобы пазы располагались под углом для обеспечения более стабильной работы. Вращающаяся часть двигателя также балансируется с помощью грузов, прикрепляемых к лопастям вентилятора или валу.

Типы двигателей

Электродвигатели работают, в основном, по принципу отталкивания или индукции. Энергосиловые машины репульсионного типа, как вы уже знаете, используют отталкивание одинаковых магнитных полюсов. Магнитное поле полюса якоря противодействует полю неподвижных обмоток статора и заставляет якорь вращаться. Коллектор постоянно меняет полярность обмоток якоря, поэтому он не останавливается. Все двигатели постоянного тока и некоторые переменного работают по принципу отталкивания. Для этого им необходим якорь, коллектор и набор щеток.

Индукционные двигатели, как вы могли догадаться, работают по принципу электромагнитной индукции и почти все на переменном токе. Ротор индукционных двигателей, похожий на беличье колесо, обычно состоит из многослойного стального цилиндра и медных стержней, вставленных в прорези. Его называют короткозамкнутым ротором. Когда на обмотки статора подается переменный ток, в роторе вследствие явления электромагнитной индукции также возникает ток, который создает магнитное поле, чья полярность противоположна полярности ноля обмоток статора. Ротор не начнет вращаться сам по себе, поэтому большинство однофазных двигателей требуют стартовой обмотки и выключателя. Трехфазные двигатели не требуют выключателя для запуска поскольку каждая фаза смещена на 120°. Кроме того, индукционные двигателя не нуждаются для работы в якоре, коллекторе или наборе щеток.

Существует много типов и классов электродвигателей, каждый из которых обладает собственными характеристиками и возможностями. Современное развитие технологий увеличило производство двигателей с различными возможностями. Вот некоторые из наиболее распространенных машин:

♦ с расщепленными фазами;

♦ конденсаторные;

♦ с расщепленными полюсами;

♦ репульсионные;

♦ постоянного тока;

♦ синхронные;

♦ универсальные;

♦ многофазные;

♦ редукторные;

♦ шаговые.

Двигатели с расщепленными фазами

Энергосиловая машина с расщепленными фазами представляет собой однофазный индукционный двигатель переменного тока, который обычно работает от сети 220 В, используя короткозамкнутый ротор (рис. 3.4). Работает по принципу индукции. Он устанавливается на многих приборах: моечных машинах, водяных насосах, рефрижераторах, вентиляторах. Мощность двигателя обычно находится в ряду от 0,05 до 0,5 лошадиной силы.

Рис. 3.4. Двигатель с расщепленными фазами

Двигатель с расщепленными фазами имеет две обмотки возбуждения — рабочую и пусковую. Он получил такое название, потому что пусковая обмотка сдвинута на 90° относительно основной рабочей (рис. 3.5).

Рис. 3.5. Пусковая и рабочая обмотки двигателя с расщепленными фазами

Пусковая или вспомогательная обмотка изготавливается из качественного изолированного медного провода и отвечает за запуск двигателя. Она обычно включена в схему только в течение долей секунды. Двигатель набирает примерно 75 % скорости, после чего центробежный выключатель отсоединяет пусковую обмотку от схемы. Дальнейшую работу ведет основная обмотка (рис. 3.6).

Рис. 3.6. Сборка центробежного механизма центробежного выключателя

Неподвижная масть центробежного выключателя состоит из двух контактов, которые подключают и отключают пусковую обмотку (рис. 3.7).

Рис. 3.7. Неподвижная часть центробежного выключателя

Конденсаторные двигатели

Конденсаторные двигатели — однофазные машины переменного тока индукционного типа. По конструкции они почти идентичны двигателям с расщепленными фазами, но содержат один или более конденсаторов. Обычно их мощность находится в диапазоне от нескольких долей до 20 лошадиных сил (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Конденсаторный двигатель

Конденсатор представляет собой устройство, хранящее электрический заряд, а также проводящее переменный ток. Его главная характеристика — емкость, которая измеряется в фарадах (Ф), микрофарадах (мкФ), нанофарадах (нФ) и пикофарадах (пФ). Наиболее распространенные типы конденсаторов: бумажные и электролитические. Есть три основных типа конденсаторных двигателей; с конденсаторным запуском, с конденсаторным запуском и действием, с отдельными конденсаторами для пуска и рабочего режима.

Двигатели с конденсаторным запуском используют элемент цепи, который подключается последовательно с пусковой обмоткой (рис. 3.9). Когда машина включается, конденсатор заставляет ток из пусковой обмотки поступать в рабочую. Этот эффект вызывает ток в роторе, и он начинает вращаться.

Рис. 3.9. Внутренняя схема двигателя с конденсаторным запуском

В бесшумном, стабильно работающем двигателе с конденсаторным запуском и действием элемент цепи и пусковая обмотка остаются все время в составе схемы. Он часто используется в вентиляторах, рефрижераторах, кондиционерах, где необходим минимальный уровень шума.

Двигатель с отдельными конденсаторами для пуска и рабочего режима также очень тихо работает (рис. 3.10). Он использует два элемента электрической цепи различной емкости. Для пуска служит конденсатор большой емкости, а конденсатор с меньшей емкостью заменяет его после начала работы двигателя. Кроме того, конденсаторные двигатели такого типа часто используются в компрессорах, где нужен высокий вращающий момент при запуске и более чем одна скорость вращения.

Рис. 3.10. Внутренняя схема двигателя с отдельными конденсаторами для запуска и рабочего режима

Двигатели с расщепленными полюсами

Двигатель с расщепленными полюсами является, наверное, самым дешевым и обычно его мощность находится в диапазоне от 0,004 до 0,25 лошадиных сил (рис. 3.11).

Рис. 3.11. Двигатель с расщепленными полюсами

У двигателя с расщепленными полюсами очень малый стартовый вращающий момент. Он используется в таких приборах, как вентиляторы и фены, где наиболее важным является низкая стоимость и минимальные затраты на обслуживание.

Это простой однофазный индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором, почти не требующий технического обслуживания. Его полюса выступают из многослойного цилиндра, поэтому их часто называют явно выраженными. Машины не используют пусковую обмотку, подобную самым простым однофазным индукционным двигателям. Они имеют короткозамкнутый виток из толстого медного провода, который выполняет роль пусковой обмотки (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Экранирующее кольцо двигателя с расщепленными полюсами

Когда ток подается на двигатель, короткозамкнутый виток, называемый также экранирующим кольцом, создает магнитное поле, которое сдвинуто по фазе относительно поля обмотки возбуждения. Магнитное поле вызывает ток в роторе, и тот начинает вращаться. После того, как достигнута необходимая скорость вращения, вступает в действие обмотка возбуждения и продолжает вращаться (рис. 3.13).

Рис. 3.13. Рабочая и пусковая обмотки двигателя с расщепленными полюсами

Двигатели репульсионного типа

Можно выделить два основных типа двигателей:

♦ репульсионные;

♦ с репульсионным пуском и индукционным действием.

Как вы, наверное, помните, репульсионный двигатель имеет якорь, коллектор и набор щеток. Работает по принципу отталкивания одноименных полюсов. Он очень похож на коллекторные двигатели постоянного тока и его мощность находится в пределах 0,5-10 лошадиных сил, имеет отличный стартовый вращающий момент и регулируемую скорость. Он обычно используется в компрессорах, кондиционерах, насосах. Скорость репульсионного двигателя можно менять за счет смещения держателя щеток. Это приводит к тому, что щетки сдвигаются ближе или дальше по отношению друг к другу. Таким образом можно управлять скоростью двигателя. Машины запускаются по принципу репульсии. Когда ротор начинает вращаться, он продолжает работать как индукционный двигатель. Щетки и коллектор используются только во время запуска. Когда двигатель стартовал, удаление щеток не повлияет на характеристики его работы. В других типах этих двигателей с помощью центробежного выключателя производится отвод щеток от поверхности коллектора после запуска. Эти машины имеют более сложную конструкцию, однако уменьшают износ щеток.

Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока имеют мощности в диапазоне от долей до нескольких тысяч лошадиных сил. Они широко используются в подъемниках, где необходим пусковой вращающий момент и регулирование скорости.

Существуют три типа двигателей постоянного тока: с последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Основная разница между ними заключается в соединениях между возбуждающей обмоткой и якорем.

В двигателях с последовательным возбуждением якорь и обмотки соединены последовательно, поэтому он может запускаться даже при очень большой нагрузке, изменяя скорость в соответствии с величиной нагрузки. Данный тип устройств обычно используется в стартерах автомобилей, кранов и подъемных устройств, где при малой скорости необходим очень большой вращающий момент (рис. 3.14).

Рис. 3.14. Упрощенная схема двигателя с последовательным возбуждением

В электродвигателе параллельного возбуждения якорь и возбуждающие обмотки соединены параллельно. Двигатель поддерживает постоянную скорость при изменяющейся нагрузке, но его пусковой вращающий момент меньше, чем у энергосиловой машины с последовательным возбуждением (рис. 3.15). Такие двигатели обычно используются в насосах и подъемниках, где необходима постоянная скорость при изменяющейся нагрузке.

Рис. 3.15. Упрощенная схема двигателя с параллельным возбуждением

Якорь и обмотки в двигателях со смешанным возбуждением или последовательно-параллельных двигателях соединены в виде комбинированной схемы последовательно и параллельно (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Упрощенная схема двигателя со смешанным возбуждением

Как и следует ожидать, двигатели со смешанным возбуждением имеют свойства двигателей с последовательным и параллельным возбуждением. Они обладают неплохим вращающим моментом и хорошей регулировкой скорости. Используются на предприятиях в приводах крупногабаритного оборудования, где необходим хороший пусковой и опрокидывающий момент.

Универсальные электродвигатели

Универсальные двигатели могут работать на постоянном или на переменном токе. Обычно они имеют мощность в доли л.с. Универсальный двигатель представляет собой устройство с последовательным возбуждением. У него очень хороший пусковой вращающий момент и переменная скорость. Такие двигатели, в основном, используются в пылесосах, швейных машинах, бытовых миксерах, вентиляторах, фенах и другой бытовой технике (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Упрощенная схема универсального двигателя с последовательным возбуждением

Многополюсные двигатели

Наиболее популярный сегодня многополюсный двигатель-трехфазный индукционный переменного тока с мощностью от долей л.с. до нескольких тысяч л.с. (рис. 3.18). Большинство трехфазных двигателей используются в промышленности. Мощность таких устройств от — 10 до 100 л.с.

Рис. 3.18. Трехфазный двигатель

Трехфазные двигатели не требуют серьезного технического обслуживания и ремонта и имеют очень простую конструкцию: содержат несколько катушек, которые распределены между несколькими обмотками, называемыми фазами. Каждая фаза имеет одинаковое число катушек. Три группы катушек, или фазы, соединены звездой или треугольником (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Упрощенная схема соединения фаз двигателя звездой и треугольником

Когда трехфазный ток подастся на обмотки статора, внутри металлических стержней короткозамкнутой обмотки создается вращающееся магнитное поле, которое заставляет ротор вращаться. Трехфазный ток, продолжающий проходить через обмотки статора, смещенные относительно друг друга на 120°, поддерживает вращение ротора за счет индукции. Трехфазные двигатели имеют различный вращающий момент, скорость, величину и корпус. Способы их применения очень разнообразны. Обычно они используются в приводах промышленного оборудования.

Синхронные двигатели

Синхронные машины представляют собой индукционные двигатели, работающие с постоянной синхронной скоростью, которая определяется частотой источника питания и количеством полюсов. Они имеют самую разную форму, размер способы применения. Обладают мощностью от долей л.с. для малогабаритных часов и до 3000 л.с. для сталепрокатных станов.

Синхронные двигатели могут работать только на переменном токе. Их скорость постоянна и не меняется в некоторых пределах при увеличении/уменьшении нагрузки. Основной принцип работы заключается в том, что ротор с выступающими полюсами вращается вместе с магнитным полем. Ротор «сцепляется» с полем и остается в постоянном, непрерывном движении. Некоторые из них запускаются постоянным током. Возбуждение ротора создает определенные полюса, которые связаны с вращающимся магнитным полем. Часто такой тип двигателя снабжен небольшим генератором постоянного тока, который присоединен к валу и подает постоянный ток на ротор.

Редукторные двигатели

Это специализированные устройства, которые используются для получения пониженной скорости и большей мощности. Могут быть индукционными или репульсионными (рис. 3.20).

Рис. 3.20. Редукторный двигатель в разрезе

Редуктор исключает применение приводных цепей и ремней, позволяет развить больший момент по сравнению с моментом электродвигателя. Выбор того или иного типа определяется, в основном, скоростью и вращающим моментом, который при заданной нагрузке не может обеспечить двигатель с аналогичными массогабаритными показателями, а также требования к монтажу, нагрузке, торможению.

Три специальных типа редукторов — прямозубая, винтовая и червячная передача. Первая позволяет получить большую мощность, но при этом работа устройства сопровождается сильным звуковым эффектом. Винтовая передача менее шумная и обеспечивает почти постоянное движение. Червячная имеет минимальное звуковое сопровождение и высокий коэффициент передачи, хотя при этом наименее эффективна. Передачи изготавливаются из металлических и неметаллических материалов. Последние тише в работе, но выдерживают меньшие нагрузки.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель используется в таких устройствах с цифровым управлением перемещения, как принтеры, медицинское рентгеновское оборудование, фотонаборные машины, регуляторы управления производственным процессом (рис. 3.21).

Рис. 3.21. Шаговый двигатель постоянного тока

Данные энергосиловые машины обеспечивают фиксированное и точное перемещение, а не непрерывное движение, производимое постоянно вращающимся двигателями. Работа шаговых двигателей основана на теории индукции. Вал вращается на один шаг при подаче очередного импульса управления. Полный цикл завершается, когда выполнены все шаги (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Последовательность переключения при выполнении четырех шагов

Привод шаговых двигателей обычно состоит из источника управляющих импульсов, которым обычно является компьютер, микропроцессор или электронная схема на дискретных элементах, и силового преобразователя. На него подается питание от источника постоянного тока. Преобразователь превращает цифровые импульсы в соответствующую последовательность импульсов переключения для шагового двигателя, который, в свою очередь, преобразует электрическую информацию в механическое перемещение для выполнения операций с нагрузкой (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Преобразователь для превращения управляющих импульсов в последовательность переключения обмоток шагового двигателя

Специальные двигатели и их применение

К числу специальных относятся бесщеточный, линейный, с высоким пиковым усилием, вертикальный и горизонтальный двигатели и усовершенствованные электродвигатели специального назначения. Например, фирма NctGain Technologies, LLC, использует усовершенствованный, обладающий высокой мощностью электродвигатель в электрическом гоночном автомобиле. Это двигатель постоянного тока работает при напряжении 336 В и токе до 2000 А, что позволяет развивать скорость 240 км/ч, и вращающий момент более 275 кг/м. Одной из наиболее быстроразвивающихся областей технологии электрических двигателей являются приводы и их электронные конвертеры. Эти системы обеспечивают комплексные и эффективные функции управления двигателями и используются в средствах передвижения, промышленности, бытовых приборах.

Например, в рамках программы развития силовой электроники и приводов электродвигателей Иллинойского технологического института ведутся исследования и разработки в области силовой электроники, приводов электродвигателей, с возможностью переключения сопротивления, приводов с регулируемой скоростью, бесщеточных двигателей постоянного тока, которые могут использоваться в: робототехнике, электрических средствах передвижения, компьютерных технологиях, телекоммуникациях, современных системах промышленной автоматизации.

Типы генераторов

Конструкция генераторов очень похожа на строение электродвигателей. Однако если первый преобразует электрическую энергию в механическую, то второй — механическую в электрическую. Генераторы имеют очень широкую сферу применения. Их можно встретить в аэропортах, больницах, на транспорте, компьютерах и средствах телекоммуникаций, на строительных площадках, в промышленности. В основном — это генераторы постоянного и переменного тока (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Электрический генератор в разрезе

Генераторы также выполняют важную роль резервных источников питания для систем освещения, управляющих компьютерных центров, общественных объектов, подъемников, устройств контроля температуры, систем обеспечения здоровья. Когда отказывает основной источник питания, система управления вводит в действие резервный генератор.

Большинство подобных приборов состоит из постоянных магнитов с многослойным четырехполюсным ротором, выполненным в виде единой детали, цифрового регулятора напряжения, устройства защиты от перенапряжения и перегрузки, обмоток статора, сборки выпрямителя, подшипников и корпуса. Они обычно классифицируются по размеру корпуса, выходной мощности (кВт) и другим параметрам, определяемым Национальной ассоциацией производителей электрооборудования.

Ремонт двигателей

Проводя диагностику неисправностей двигателя, очень важно следовать логической, систематической процедуре, чтобы сэкономить время, не делать ненужных тестов и замены деталей. Большинство обычных неисправностей можно легко выявить с помощью простых контрольно-измерительных приборов. При анализе и ремонте важно, чтобы специалист хорошо понимал назначение данного оборудования.

Стандартный анализ вышедшего из строя двигателя начинается с осмотра и прослушивания. Поищите какие-либо очевидные неисправности: сломанные торцевые крышки, рамы, тугой или неподвижный вал, сгоревшие провода. Каждый из таких симптомов может позволить быстро локализовать проблему. Шумящий двигатель или неподвижный вал, — возможно, признак неисправности в подшипниках. Проверить работоспособность этих компонентов можно, поворачивая вал и пытаясь перемещать их вверх и вниз. Бал, который не вращается, не зафиксирован или имеет значительный люфт при движении вверх-вниз, может указывать на сломанный подшипник.

Основные приборы, используемые при поиске неисправностей электродвигателей:

♦ тестовая лампа;

♦ амперметр;

♦ устройство проверки обмоток;

♦ мегомметр.

Прежде, чем пытаться включать двигатель, специалист должен проверить его на наличие дефектов в схеме, таких как замыкание на землю, короткое замыкание. обрыв.

Как вы помните, замыкание на землю возникает, когда образуется электрический контакт обмоток с какой-либо металлической деталью двигателя. Обычно это происходит из-за плохо изолированного провода со статором или торцевыми крышками. В результате могут перегорать предохранители или возникать сильный нагрев, снижаться мощность. Такая неисправность может привести к поражению током, поэтому при проверке двигателя с замыканием на землю необходима крайняя осторожность. Для этого подключите один вывод тестовой лампы к одному из выводов двигателя, а другой — к статору или корпусу двигателя (рис. 3.25). Если лампа горит, это значит, что в двигателе замыкание на землю.

Рис. 3.25. Использование тестовой лампы для проверки двигателя на замыкание на землю

Обрыв в схеме, как вы знаете, возникает в результате разрыва цепи двигателя, что не позволяет току совершить замкнутый путь. В этом случае двигатель не будет работать, а станет издавать жужжащие звуки.

Для проверки подключите выводы тестовой лампы к выводам двигателя. Если лампа не горит, значит, произошел обрыв. В противном случае целостность цепи сохранена (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Использование тестовой лампы для проверки двигателя на обрыв

Короткое замыкание возникает вследствие дефекта, при котором два провода цепи соединяются и образуют путь для тока в обход нормального пути его движения. Амперметр (используйте прибор с зажимами) часто позволяет обнаружить короткое замыкание в двигателе. Если показания прибора превышают нормальное значение, которое можно найти на бирке двигателя, это первый признак короткого замыкания. Имейте в виду, что другие факторы — низкое напряжение, плохие подшипники, перегрузка, могут привести к слишком большому току двигателя. Горячий, дымящийся прибор, вызывающий перегорание предохранителей, может быть закорочен.

Кроме того, двигатель с коротким замыканием может быстро нагреваться, не запускаться, становиться горячим или работать медленно. Признаком короткого замыкания часто является посторонний шум. Если при включении питания однофазный двигатель только жужжит, попробуйте повернуть вал рукой. Если мотор заработает, то проблема в схеме запуска. Однако если двигатель запускается, но работает неровно: замедляется, затем опять стабильно работает, проблема в рабочей схеме.

Помимо тестовой лампы, замыкание на землю и обрыв в схеме можно обнаружить с помощью мегомметра (рис. 3.27).

Рис. 3.27. Использование мегомметра для проверки двигателя на замыкание на землю и обрыв

Для этого подключите один вывод мегомметра к корпусу, а другой к одному из выводов двигателя. У прибора с замыканием на землю показания будут 0 или около 0. Для проверки на обрыв, подключите мегомметр к каждой паре фаз двигателя. Двигатель с обрывом покажет высокое сопротивление. Омметр также можно использовать для тестирования двигателя на замыкание на землю и обрыв.

Другой способ проверки обмоток возбуждения на короткое замыкание заключается в том, что вы разбираете двигатель и прикладываете небольшое напряжение к обмоткам статора. При этом катушка становится электромагнитом. Поднесите отвертку к каждой катушке и медленно отодвигайте, ощутив магнитное притяжение. Катушка с меньшим притяжением может быть закорочена. Кроме того, если одна из них более горячая, то это еще одно свидетельство в пользу дефекта.

Прежде чем разбирать двигатель, пометьте торцевые крышки и корпус соответственно их расположению. Обычно переднюю крышку помечают двумя штрихами, а заднюю одним. Маркировка двигателя позволяет специалисту правильно собрать его. Необходимо также пометить передний конец вала. Это можно сделать, нацарапав крест. Можно также пометить основание, обращенное к передней торцевой крышке. Многие специалисты выполняют отметки на валу ротора с помощью ножа или небольшого напильника, помечая правильное положение ротора. Метка обычно располагается на переднем конце около передней торцевой крышки.

Для диагностики замыкания на землю обычно необходимо разобрать его и пройти по обмоткам для нахождения места замыкания с металлическими частями двигателя. После локализации проблемы выполняется чистка обмоток, если они грязные или обугленные. Сделать это можно с помощью растворителя. Снова изолируйте обмотки, покрыв их, например слоем эпоксидной смолы или другого изоляционного состава, застывающего на воздухе. Если создается впечатление, что замыкание на землю было вызвано влагой, просушите двигатель в теплой печи или с помощью вентилятора.

Типичными причинами обрыва в цепи являются неисправный или неправильно установленный центробежный переключатель, дефектный конденсатор или оборванный провод в цепи двигателя. Локализуя обрыв, прежде всего проверьте конденсатор. Есть несколько способов сделать это, например заменить новым с теми же номиналами. Если обрыв исчез, то проблема была в конденсаторе. Другой метод проверки — проба на искру. Подключите конденсатор на мгновение к сети питания 220 В. После того как вы отсоедините его от сети, закоротите выводы конденсатора отверткой с изолированной ручкой (рис. 3.28). У хорошего конденсатора образуется искра. Отсутствие ее говорит о неисправности.

Рис. 3.28. Проба на искру выполняется с помощью замыкания контактов конденсатора отверткой

Для проверки на замыкание на землю можно использовать простую тестовую лампу. Подключите один из ее выводов к контакту конденсатора. Соедините другой вывод лампы с металлическим корпусом конденсатора. Если лампа горит, то конденсатор замкнут на землю и его следует заменить (рис. 3.29).

Рис. 3.29. Использование тестовой лампы для проверки конденсатора на замыкание на землю

Другие методы, тестирования — это использование омметра, тестера конденсаторов или комбинации амперметр-вольтметр.

Центробежный выключатель часто является причиной обрыва в однофазном двигателе. Следует проверить его, чтобы убедиться, что контакты замыкаются. Если этого не происходит, можно добавить прокладки на вал двигателя для решения проблемы. Кроме того, проверьте состояние центробежного переключателя, поскольку он может быть неисправен, и его необходимо заменить.

Обмотки двигателя также следует протестировать на возможные разрывы. Один или более поврежденных проводов может вызвать обрыв в схеме. Если обмотки двигателя плохо прикреплены или повреждены и их невозможно починить. то необходима замена. Короткое замыкание обмоток статора можно проверить с использованием внутреннего устройства проверки обмоток. Поместите устройство на пластины статора на одном конце катушки. Вместе устройство и катушки статора действуют как трансформатор. Катушки устройства работают как первичная обмотка, а катушки статора образуют вторичную цепь.

Устройство проверки обмоток, в которое может быть встроена чувствительная пластина, при размещении на короткозамкнутой катушке будет сильно вибрировать (рис. 3.30). Когда определено, что в двигателе короткое замыкание, следует или заменить сам двигатель, или поменять обмотки.

Рис. 3.30. Проверка статора на короткое замыкание катушки с использованием внутреннего устройства проверки обмоток

Двигатель, в котором замкнут якорь, может подпрыгивать, сильно вибрировать, гудеть, рычать, не работать, приводить к сгоранию предохранителей. Короткое замыкание катушки якоря часто можно определить по изменению цвета и пробою изоляции.

Якорь двигателя можно протестировать на короткое замыкание с использованием внутреннего устройства проверки обмоток. Поместите якорь на устройство, положите на якорь узкую металлическую пластину. Вращайте якорь. Если пластина вибрирует с большой частотой, то это говорит о коротком замыкании (рис. 3.31).

Рис. 3.31. Проверка якоря на короткое замыкание с использованием внутреннего устройства проверки обмоток

Можно проверить якорь на заземление с помощью тестовой лампы. Соедините один се вывод с коллектором, а другой — с валом ротора. Если лампа загорается, это означает, что якорь закорочен на землю (рис. 3.32).

Рис. 3.32. Использование тестовой лампы для проверки якоря на замыкание на землю

Хотя вопрос перемотки обмоток статора и ротора не рассматривается в этой книге, отметим, что проведение данной процедуры часто является экономически оправданным. Обычно не так выгодно перематывать небольшие изделия, как крупные. Технический прогресс привел к производству доступных, высококачественных обмоток и большого числа их конфигураций для всех моделей двигателей. Современные намоточные станки снабжены компьютеризованным управлением и экранами дисплеев, что обеспечивает простую, гибкую и высокоэффективную работу (рис. 3.33)

Рис. 3.33. Намотка якоря на компьютеризованном электронно-пневматическом обмоточном станке

Неисправные подшипники могут стать причиной шума при работе двигателя, сильного нагревания или, вообще, прекращения его работы. Их можно наладить, прочистив или переустановив.

Если шарикоподшипники не обеспечивают плавного вращения, их следует заменить. Для этого обычно используется специальный инструмент или съемник. При установке нового подшипника для прижатия к валу часто используется инструмент для запрессовки. Подшипники скольжения обычно удаляются, а новые устанавливаются на место с использованием пресса или специальной оправки.

Иногда это можно сделать с помощью приспособления, показанного на рис. 3.34. Часто внутренний диаметр нового подшипника меньше предыдущего. При этом необходимо расширить его с использованием инструмента, называемого расширитель.

Рис. 3.34. Специальный инструмент, используемый для снятия подшипников скольжения с торцевой крышки

Репульсионный двигатель не запускается, щетки сильно искрят, он работает прерывисто или с малой мощностью? Причинами могут быть грязный или изношенный коллектор, неправильно установленные щетки и держатель для них или сломанная прижимная пружина щеток.

Если щетки сильно изношены, их следует заменить. При этом обязательно устанавливайте только предназначенные для данного двигателя компоненты. Точный размер и форма контактной площадки щеток очень важны для удовлетворительной работы двигателя.

Прежде, чем вставить щетки, убедитесь, что держатель чистый, — это позволяет щеткам свободно двигаться. Кроме того, упругость пружины должна быть достаточной для поддержания постоянного давления, обеспечивающего хороший контакт щеток с коллектором. Когда щетки установлены, убедитесь в соответствии профиля щеток и коллектора. Это выполняется с помощью специального шлифовочного бруска для коллектора.

При шлифовке щеток выполните следующие действия:

1. Запустите двигатель на нормальной скорости.

2. Установите брусок для зачистки непосредственно у вращающегося коллектора. Убедитесь, что щетки твердо расположены у коллектора.

3. Прижмите брусок к коллектору только на несколько секунд. Брусок стачивает гранулы и обеспечивает соответствие профилей щеток и коллектора. Не перестарайтесь! Это вызовет износ коллектора и щеток.

4. В завершение сдуйте струей воздуха гранулы с коллектора и области щеток (рис. 3.35).

Рис. 3.35. Способ ручной зачистки коллектора с помощью бруска

Если жесткость пружины или положение держателя щеток неправильно, то двигатель может плохо работать. Проверьте натяжение пружины. В том случае, когда пружина не прижимает щетки к коллектору достаточно плотно, их необходимо заменить. Убедитесь, что держатель обеспечивает плотное и ровное прилегание щеток к коллектору.

Коллектор необходимо прочистить и подрезать, если он выглядит неровным, грязным или в нем слишком много слюды. В зависимости от состояния коммутатора наиболее эффективным и быстрым способом может оказаться ручная обработка точильным камнем (см. рис. 3.35). Этот метод позволяет провести очистку коллектора при работе двигателя с нормальной скоростью. Обработка на станке требует разборки двигателя и помещения якоря на станок, который вращает его. Никогда не обрабатывайте поверхность коллектора больше, чем необходимо для получения чистой концентрической поверхности. Слишком сильное обтачивание полностью уничтожит медные пластины коллектора.

После очистки и обтачивания необходимо также подрезать слюду коллектора. Этот процесс называется прочисткой зазоров. Сделать это можно вручную с помощью лезвия ножовки или специального инструмента. Ручная операция сейчас выполняется редко из-за трудоемкости и неэффективности. Подрезание необходимо для удаления слюды между пластинами коллектора до уровня, приблизительно равного ширине зазора. Слюда удаляется, чтобы обеспечить возможность плавного движения щеток по коллектору, который имеет строгую концентрическую форму без выступов и заусенцев. На рис. 3.36 показано правильное положение устройства зачистки слюды с электроприводом.

Рис. 3.36. Удаление слюды из зазоров коммутатора с помощью специального устройства прямого привода

Часто требуется изменить направление вращения однофазного двигателя. Сделать это можно, поменяв выводы пусковой или рабочей обмотки двигателя (рис. 3.37).

Рис. 3.37. Изменение направления вращения однофазного двигателя

Ту же самую операцию можно применить к двигателям с расщепленными полюсами. Для этого необходимо разобрать его и поменять концы статора, потому что направление вращения зависит от действия экранирующей катушки (рис. 3.38).

Рис. 3.38. Изменение направления вращения двигателя с расщепленными фазами

Чтобы изменить направление вращения двигателя постоянного тока, просто поменяйте полярность подключения полюсов возбуждения или щеток.

Направление движения трехфазного двигателя легко изменить, поменяв местами любые два из трех выводов двигателя (обычно два внешних вывода) — рис. 3.39.

Рис. 3.39. Изменение направления вращения трехфазного двигателя за счет переключения двух внешних выводов

Когда вы снова собираете двигатель, очень важно, чтобы провода не контактировали с его металлическими частями. Обратите особое внимание также, чтобы провода не оказались зажатыми между корпусом и торцевой крышкой. Это вызовет замыкание на землю или короткое замыкание.

Когда вы снова собираете двигатель, необходимо проследить, чтобы все отметки, которые вы нанесли при его разборке, вновь совпали. Обычно для правильного выравнивания торцевые крышки устанавливают с помощью резинового молотка или деревянной киянки. Характерные проблемы редукторных электродвигателей связаны с неправильной смазкой, плохими уплотнениями, прокладками и редукторами. Для большинства редукторных двигателей используется жидкое машинное масло, образующее постоянную смазывающую пленку на зубьях шестерней. Однако для небольших двигателей этого типа из-за проблем с уплотнениями используются густые смазки. Необходимо следить, чтобы смазки было достаточно и она была чистой. В противном случае могут возникнуть повреждения уплотнителей и шестерен. Кроме того, избыточная работа или функционирование в аномальных условиях (например, слишком высокая или низкая температура окружающей среды) могут уменьшить срок службы шестерен.

К числу проблем, возникающих в шаговых двигателях, относятся некачественные подшипники, короткозамкнутые обмотки, неисправные соединительные проводники, неправильная работа привода. Очень важно локализовать неисправность, определив, что именно является причиной — шаговый двигатель, соединительные проводники или привод.

Шаговый двигатель можно проверить на короткое замыкание, обрыв, замыкание на землю аналогично обыкновенному. Замена шагового двигателя также является хорошим средством локализации неисправности.

Еще одна операция по обслуживанию двигателей заключается в проверке на потери в сердечнике. Это дает информацию об эффективности статоров, роторов и якорей. Потери в сердечнике измеряются в ваттах на кг (Вт/кг). Определяющими потери факторами являются уровень гистерезиса и вихревые токи (рис. 3.40).

Рис. 3.40. Подключение оборудования для измерения потерь в сердечнике с использованием тестера

Трансформаторы и другие устройства с кольцевыми обмотками не должны проверяться таким образом, поскольку катушки могут вырабатывать высокое напряжение опасного уровня. Работая с подобными приборами, всегда следуйте руководству изготовителя.

Ремонт генераторов

Сервисное обслуживание генераторов напоминает работу с электродвигателями. Начните с обсуждения признаков неправильной работы генератора. Типичными неисправностями генераторов являются: сгоревший предохранитель регулятора, неработающий регулятор, низкое или высокое выходное напряжение, меняющееся напряжение. Помните, что в генераторе могут иметь место высокие остаточные напряжения. Проведите тщательный осмотр, проверьте, петли оборванных соединений, зажатых или поврежденных проводов, заржавевших выводов, посторонних объектов, обгоревших или изношенных компонентов. Нередко внешние частицы — грязь и промышленные отходы — проникают в генератор через решетку охлаждения и засоряют его, нарушая правильный режим работы.

Для проверки плавкого предохранителя регулятора можно при выключенном питании использовать омметр. Чтобы проверить работоспособность регулятора, можно протестировать входное и выходное напряжение. Типичная проблема возникает при работе с нагрузкой, когда выходное напряжение слишком низкое или меняется. Если измерители работают точно и нет некачественных или дефектных соединений, может быть, необходимо разобрать генератор и проверить, все ли его составляющие на месте.

Разбирая генератор, отключите питание, пометьте и промаркируйте все провода и детали для последующей сборки. Используйте соответствующие подъемники, ремни, крепления и другое оборудование, чтобы предотвратить повреждение деталей, особенно при работе с большими, тяжелыми приборами (рис. 3.41).

Рис. 3.41. Снятие задающего генератора с использованием ремня

Всегда проверяйте в статоре незафиксированные, изношенные или сгоревшие обмотки, измеряйте сопротивление между выводами и сравнивайте его со значением, указанным изготовителем.

Нулевое сопротивление соответствует короткому замыканию, а бесконечное означает обрыв в схеме.

Проверьте также мегомметром, не возникло ли замыкание на землю между обмотками и корпусом.

При снятии тяжелых роторов генераторов следует использовать подъемник и специальные крепления (рис. 3.42). Аккуратно снимите ротор, направляя его, но не касаясь при этом деталей, чтобы предотвратить повреждение ротора или обмоток.

Рис. 3.42. Использование подъемника и специальных креплений для снятия ротора основного генератора

Неисправные диоды — обычная проблема. Проверьте их, измерив сопротивления. Диод должен показывать высокое сопротивление в одном направлении и низкое при смене положения выводов измерительного прибора. Короткозамкнутый двухэлектродный прибор имеет низкое сопротивление в обоих направлениях. Диод с обрывом, напротив, обладает высоким сопротивлением в обоих направлениях (рис. 3.43).

Рис. 3.43. Сборка задающего генератора и выпрямителя

Помните, что прибор для измерения сопротивления может иметь недостаточное внутреннее напряжение, чтобы заставить диод проводить ток. Этот фактор влияет на результаты диагностики. Не используйте мегомметр для проверки диодов или регулятора. Если диод или выпрямитель необходимо заменить, соблюдайте полярность подключения. Не закручивайте гайки зажимов слишком сильно.

Заменяя подшипники, используйте соответствующий съемник (рис. 3.44). Иногда крышка подшипника прилипает, и ее приходится нагревать. При замене старой смазки из полости крышки подшипников аккуратно, стараясь не переборщить, заполняйте ее новой до половины высоты.

Рис. 3.44. Снятие подшипника с помощью съемника подшипников и нагревания

Профилактическое техническое обслуживание

Срок службы электродвигателей и генераторов часто определяется тем, как проходит их профилактическое техническое обслуживание. Приборы, за которыми не ухаживают надлежащим образом, можно часто узнать по наличию ржавчины. Продуманная программа технического обслуживания включает осмотр, регистрацию состояния и сервис устройств. Небольшие настройки: замена подшипников, простая очистка двигателя или генератора может предотвратить дорогостоящий и требующий значительного времени ремонт.

Регулярные проверки могут значительно снизить частоту отказов и периодов неудовлетворительной работы электродвигателей. Осмотр должен сопровождаться ведением журнала, где необходимо регистрировать состояние устройств и проведенные работы. Помните, что к каждому прибору требуется индивидуальный подход. Следует чаще проверять двигатели, которые работают в условиях повышенного загрязнения или влажности.

Наиболее очевидными дефектами, которые вы можете встретить при осмотре двигателей, являются грязь, жир, вода и химикаты. Все перечисленное может вызвать короткое замыкание или замыкание на землю, привести к тому, что двигатель при работе будет очень горячим. В результате не избежать быстрого износа деталей и ремонта.

Грязь, масло, а также другие загрязнения перекрывают вентиляционные отверстия двигателя, а накапливаясь на коллекторе, нарушают электрический контакт, ускоряют износ щеток. Скопление воды может вызвать короткое замыкание или замыкание на землю обмоток якоря или статора. В результате двигатель может выйти из строя.

Репульсионные двигатели также требуют регулярного осмотра. Проверьте прижим щеток и выравнивание щеток и держателя. Слегка постучите небольшим резиновым молотком по пластинам коллектора, чтобы проверить их крепление. Плохие щетки необходимо заменить. Грязный коллектор следует протереть чистой тканью или бруском.

Не чистите коллектор наждаком, это может вызвать короткое замыкание пластин.

Вал ротора необходимо регулярно проверять на отсутствие биений. Для этого воспользуйтесь циферблатным индикатором. Контакты выключателя необходимо регулярно чистить и придавать им правильную форму с помощью надфили, напильника или чистящего бруска (но не наждачной бумаги!). Большинство фирм — поставщиков электрического и электронного оборудования продают химические средства очистки контактов.

Все болты и гайки должны быть затянуты. Провода и обмотки двигателя необходимо проверять на наличие грязи, разрывов, изношенной изоляции. Это предотвратит серьезные поломки в будущем. Обычно проводят чистку и повторную изоляцию обмоток двигателей с использованием застывающей на воздухе эпоксидной смолы или другого изолирующего материала.

Для предотвращения поломок двигателей очень важен регулярный контроль износа подшипников. Подшипники скольжения следует регулярно смазывать. Но не закладывайте в них слишком много смазочного материала! Шарикоподшипники можно обрабатывать маслом или консистентной смазкой, в зависимости от спецификации изготовителя. Обычно подходящим средством для шарикоподшипников служит консистентная смазка — комбинация масла и мыла. Не забывайте, что слишком большое ее количество может спровоцировать перегрев. Это вызовет преждевременный выход подшипников из строя. Скрипящие или очень тугие подшипники следует заменить.

Необходимо сразу уделить внимание неправильному осевому зазору. Это можно проверить, если тянуть, а затем толкать ось вперед-назад. Обычно максимальный осевой зазор составляет 0,4 мм. Отрегулировать его можно, добавляя или удаляя прокладки, смазывая прокладки или затягивая гайки или винты.

Любое увеличение или уменьшение температуры двигателя, увеличение шума, изменение цвета или формы является обычным признаком проблем. Эти условия требуют немедленной реакции и поиска причин их возникновения. Если выяснено, что двигатель невозможно отремонтировать или он не подходит для данного применения, необходимо заменить его. При выборе подходящего двигателя следует принять во внимание несколько факторов. Рабочие и нагрузочные параметры должны соответствовать назначению двигателя. Национальная ассоциация изготовителей электрического оборудования вырабатывает стандарты для двигателей: вращающий момент, скорость вращения (оборотов в минуту), мощность в лошадиных силах, корпус и монтажные размеры. Например, если выполняемая работа требует непрерывного действия в течение, скажем, нескольких часов, необходимо выбрать двигатель продолжительного действия. Для кратковременных операций можно использовать двигатель периодического действия. В других случаях, когда устройство должно работать при специфических температурных условиях или при особых требованиях к вращающему моменту, необходимо использовать специальную смазку и обратить внимание на момент двигателя.

Энергетическая эффективность также является важным фактором. Например, разница в стоимости и экономии электроэнергии при использовании двигателей 50 Вт и 75 Вт может быть очень существенной, если двигатель 50 Вт достаточен для данного применения. Аналогично, перегруженный двигатель будет требовать излишнего тока и со временем сгорит, если он неправильно выбран для данной работы. Перед приобретением обязательно ознакомьтесь с рекомендациями изготовителей по выбору двигателей и эффективности использования энергии.

Вопросы для самоконтроля

Выберите верный ответ:

1. Обычно электрические двигатели используют свойства репульсии или:

а) магнетизма;

б) емкости;

в) сопротивления;

г) индукции;

д) полупроводимости.

2. При поиске неисправностей электрических двигателей используются: приборы измерения силы тока, тестовые лампы, устройство проверки обмоток и:

а) замена;

б) нагревание и охлаждение;

в) шунтирование;

г) мегомметр;

д) осциллограф.

3. Горячий, дымящийся двигатель является признаком:

а) замыкания на землю;

б) обрыва в схеме;

в) короткого замыкания;

г) «а» и «б»;

д) «в», «г» и «д».

4. Наилучший способ проверки конденсатора электродвигателя 220 В:

а) шунтирование;

б) проверка на искру;

в) вольтметр;

д) амперметр;

е) все перечисленное.

5. Направление вращения трехфазного двигателя можно изменить:

а) переключив два их трех выводов;

б) разобрав двигатель и поменяв местами два вывода;

в) изменив напряжение;

г) перевернув статор;

д) ничего из перечисленного.

6. Когда вы производите очистку коллектора нельзя использовать:

а) бумагу;

б) чистую ткань;

в) оба: «а» и «б»;

г) наждак;

д) ничего из перечисленного.

7. Измерительный прибор, который используется для измерения отклонения вала двигателя:

а) вольтметр;

б) амперметр с зажимами;

в) устройство проверки обмоток;

г) мегомметр;

д) циферблатный индикатор.

8. Необходимо регулярно смазывать подшипник:

а) скольжения;

б) шарикоподшипник;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного;

д) все перечисленное.

9. Консистентная смазка обычно является смесью:

а) воды и мыла;

б) вазелина и мыла;

в) бензина и воды;

г) масла и мыла;

д) ничего из перечисленного.

10. Максимальный осевой зазор обычно составляет:

а) 0,4 мм;

б) 0,32 см;

в) 0,64 см;

г) 1,27 см;

д) 2,54 см.

11. Передача, которая имеет наименьший уровень шума:

а) прямозубая цилиндрическая передача;

б) косозубая передача;

в) червячная передача;

г) все перечисленные.

12. Передача, используемая в редукторах большой мощности:

а) прямозубая цилиндрическая;

б) косозубая передача;

в) червячная передача;

г) все перечисленные.

13. Смазка, которая используется в большинстве редукторных электродвигателей:

а) масло;

б) консистентная смазка;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

14. Выбор редукторного электродвигателя обычно определяется:

а) скоростью;

б) вращающим моментом;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

15. Система управления приводом шагового двигателя основана на:

а) микропроцессоре;

б) преобразователе;

в) компьютере;

г) все перечисленное.

16. Прибор, который преобразует механическую энергию в электрическую, это:

а) двигатель;

б) тестер потерь в сердечнике;

в) генератор;

г) шаговый двигатель.

17. Генератором переменного тока называется:

а) двигатель переменного тока;

б) шаговый двигатель переменного тока;

в) регулятор;

г) электрическая машина переменного тока.

18. Гистерезис и вихревые токи являются факторами:

а) потерь в сердечнике;

б) дифференциала регулирования;

в) ограничения бросков тока;

г) возбуждения ротора.

19. Высокое остаточное напряжение может иметь место в:

а) регуляторе;

б) статоре;

в) аттенюаторе;

г) выпрямителе.

20. Высокое сопротивление в обоих направлениях при проверке диода показывает:

а) обрыв в схеме;

б) короткое замыкание;

в) замыкание на землю;

г) ничего из перечисленного.

Вопросы и проблемы

1. Объясните основное различие между электродвигателем и генератором.

2. Расскажите об основных принципах работы электродвигателя.

3. Назовите основные части электродвигателя.

4. Объясните разницу между репульсионными и индукционными двигателями.

5. Назовите несколько типов электродвигателей.

6. Что такое обрыв в схеме?

7. Что такое короткое замыкание?

8. Расскажите, как проверить двигатель на обрыв, короткое замыкание и замыкание на землю.

9. Расскажите о наилучшем способе разборки двигателя.

10. Расскажите о способах проверки конденсатора

11. Объясните разницу между внешним и внутренним устройством проверки обмоток.

12. Назовите два типа подшипников.

13. Расскажите, как чистить загрязненный коллектор.

14. Перечислите основные причины выхода их строя электродвигателей.

15. Какие типы передач применяются в редукторных электродвигателях?

16. Почему для смазки редукторных двигателей используется консистентная смазка, а не масло?

17. Расскажите о работе шагового двигателя.

18. Опишите систему привода шагового двигателя.

19. Перечислите области применения шагового двигателя.

20. Объясните назначение тестера потерь в сердечнике.

21. Расскажите, как проверить диод генератора.

22. Перечислите меры предосторожности при тестировании регулятора.

23. Опишите симптомы неисправностей в генераторе.

24 Перечислите несколько деталей генератора.

Глава 4

Сервисное обслуживание промышленных устройств управления

Промышленные системы управления непрерывно совершенствуются. Автоматизированные приборы различных типов: электронные, гидравлические, пневматические и современные системы с компьютерным управлением развиваются очень быстро, позволяя уменьшить количество персонала и себестоимость продукции, повысить безопасность, эффективность производства и улучшить контроль качества. Они используются для управления работой электродвигателей, осветительных приборов, роботов, аудиоустройств, нагревателей, конвейеров, станков, насосов, медицинского диагностического и терапевтического оборудования, а также координируют производство.

Например, каждый электродвигатель должен иметь устройство управления, будь то простой выключатель для пуска и остановки или сложная микропроцессорная система пошагового управления, для обеспечения широкого спектра функций энергосиловой машины: пуска и остановки, реверса, ускорения, замедления, торможения, выполнения операций с контролем времени. Средства управления так же важны для двигателя, как и питающая его электроэнергия.

В предыдущем разделе был дан обзор наиболее часто встречающихся типов электродвигателей и их ремонта. Цель настоящей главы в том, чтобы показать, как можно управлять электродвигателями и другими мощными устройствами. Рассмотрена основная теория промышленных устройств управления энергией, а также типы контроллеров, процедуры проверки и профилактическое техническое обслуживание.

Основные сведения

Основные функции управления двигателем заключаются в том, чтобы обеспечить выполнение им определенных операций: пуска, остановки, защиты, последовательности операций, реверса, изменения скорости. Простейшее устройство управления двигателем — однополюсный переключатель, который руководит подачей тока, запуская и останавливая асинхронный индукционный двигатель с короткозамкнутым ротором (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Однополюсный переключатель является простым средством управления двигателем

Кроме обеспечения защиты двигателя, устройство управления помогает защитить оператора. Плавкий предохранитель служит для защиты двигателя и оператора. Регулируемый трансформатор выполняет функции управления скоростью двигателя постоянного тока (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Плавкий предохранитель и регулируемый трансформатор действуют как средство управления

Системы управления обычно бывают двух типов: замкнутые и разомкнутые. Например, когда вы разжигаете на улице костер, количество брошенных в огонь дров регулирует уровень тепла — это разомкнутая система. Если дровяная печь управляется заслонкой — это форма замкнутой системы. Действие обратной связи, приводящее к открытию или закрытию заслонки, обеспечивает лучшую регулировку, чем открытая система. Сложные системы коммерческого назначения работают по принципу замкнутых систем и используют термостаты, электродвигатели и вентиляторы, регуляторы и программируемые устройства для управления нагреванием. Работа многих устройств управления двигателями основана на принципах электромагнетизма. Если изолированный провод обмотать вокруг стального стержня и концы провода подключить к источнику постоянного тока, мы получим электромагнит (рис. 4.3). Изменение направления тока влияет на полярность стального стержня.

Рис. 4.3. Металлический стержень, вокруг которого намотан провод с протекающим по нему током, образует электромагнит

Проволочная катушка, подключенная к батарее, образует магнитный поток, который окружает катушку, как и в случае постоянного магнита (рис. 4.4). Этот магнитный поток является основой работы двигателя. Он создает механическое движение, которое обеспечивает выполнение и остановку операций.

Рис. 4.4. Магнитный поток окружает электромагнит

Типичным примером устройства управления двигателем является реле. Это электромагнитное устройство, которое используется для размыкания и замыкания цепей (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Простое электрическое реле

Соленоид — это катушка реле, в которой используется описанный принцип для намагничивания металлического сердечника, притягивающего подвижный металлический пружинный контакт или иную часть исполнительного механизма.

Существуют сотни применений реле и соленоидов. В последнее время на смену электромеханическим реле приходят полупроводниковые.

Прерыватели представляют собой специальный тип реле, который часто применяется в качестве ручного выключателя. Они используются в быту, бизнесе и промышленности для защиты электрических цепей от чрезмерного тока и перегрузки. На рис. 4.6 показана упрощенная схема магнитной части прерывателя. Сильный ток заставляет магнит потянуть рычаг вниз, развести контакты реле и разорвать цепь.

Рис. 4.6. Простой прерыватель

Типы устройств управления

Существует очень большое количество устройств управления для двигателей промышленного назначения и устройств включения-выключения питания. Каждое имеет свои специфические характеристики. Некоторые из наиболее популярных типов контроллеров следующие:

♦ устройства защиты от перегрузки;

♦ ручные пускатели;

♦ магнитные пускатели;

♦ реверсивные магнитные пускатели;

♦ контакторы освещения;

♦ кнопочные пульты;

♦ концевые выключатели;

♦ барабанные переключатели;

♦ таймеры;

♦ электронные приводы;

♦ программируемые контроллеры;

Устройства защиты от перегрузки

Большинство таких устройств управления двигателями, как ручной, магнитный или реверсивный пускатель, обладает некоторой степенью защиты от перегрузки. Один из приборов, служащих для этого — термореле перегрузки с легкоплавким сплавом (рис. 4.7). Когда при перегрузке возникает слишком большой ток, эвтектический (легкоплавкий) сплав в латунном сосуде переходит в жидкое состояние и более не может удерживать храповой механизм от проворачивания. При этом размыкаются контакты, подключенные к исполнительному реле. Когда сосуд охладится и сплав застынет, реле необходимо вручную установить в исходное положение. Многократные срабатывания и установка реле обычно не влияют на его калибровку. Различные типы таких реле включают медленные, стандартные и быстродействующие реле. Кроме того, более сложные термореле перегрузки с легкоплавким сплавом содержат изолированные контакты для подачи сигнала тревоги, которые позволяют использовать реле с пускателем для связи с компьютером, где требуется гальваническая развязка.

Рис. 4.7. Термореле перегрузки с плавящимся сплавом

Биметаллические термореле перегрузки работают на основе изгибающейся при нагревании биметаллической полосы, которая при этом размыкает контакты (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Биметаллическое термореле перегрузки

Эти реле сбрасываются автоматически. Они работают подобно термостату. По мере снижения температуры пластина принимает первоначальную форму и реле сбрасывается. Прежде, чем работать с устройством, специалист по обслуживанию должен отключить питание. В противном случае устройство может после охлаждения включиться и причинить вред. Дополнительные приспособления включают режимы для работы при температуре окружающей среды, варианты без компенсации, контакты для подачи сигнала тревоги, полупроводниковые индикаторы. Параметры устройства должны соответствовать параметрам того прибора, с которым они работают. Многие двигатели содержат регулировочный винт. С его помощью можно установить точный уровень перегрузки, при которой срабатывает реле.

Электронные (полупроводниковые) средства защиты от перегрузки, например многоцелевые реле для двигателей постоянного тока становятся все более популярны (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Многоцелевое электронное реле перегрузки и датчик тока

Когда достигается заданная величина тока, реле срабатывает. Возможны и ручная, и автоматическая операции сброса. Эти устройства защиты от перегрузки могут также подать сигнал тревоги и инициировать выполнение других функций, предотвращая повреждения системы управления.

Другой специальный тип полупроводниковых элементов автоматики — это электронное логически программируемое реле перегрузки, обеспечивающее программный контроль функций для двигателей и других устройств.

Еще один тип — магнитное реле перегрузки. Его работа основана на принципе электромагнетизма (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Магнитное реле перегрузки

Если возникает чрезмерный ток, катушка втягивает сердечник, который размыкает контакты. Эти реле используются в блоках управления электрических двигателей, нагревателей, приборов освещения, аудиоустройств. Современные реле содержат функцию подавления помех, вызванных переходными процессами, логические картриджи, специальные защелки.

Ручные пускатели

Ручной пускатель переключается с помощью тумблера. Обычно он используется для включения или выключения маломощного двигателя в 1 л.с. или менее. Некоторые ручные однофазные пускатели обеспечивают защиту с помощью термореле, которое срабатывает при слишком большом токе. После срабатывания термореле необходимо дать ему время остыть перед тем, как его работоспособность будет восстановлена. Такие реле не обеспечивают защиту от пониженного напряжения. Кроме того, если возникает прерывание подачи питания, контакты переключателя могут остаться в замкнутом состоянии, и работа двигателя возобновится, как только будет подано питание.

Двигатель может внезапно включиться — это представляет определенную опасность для оператора. Другие типы ручных переключателей обеспечивают контроль реверса, двухскоростной режим, съемный ключ.

Ручные трехфазные переключатели можно встретить там, где защита от перегрузки не важна. Они функционируют при мощности до 10 л.с. и напряжении 380 В в небольших насосах, транспортерах, нагревателях, вентиляторах, электрических машинах. Как правило, им находится место в небольших машинах с раздельной защитой от перегрузки (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Ручной пускатель двигателя без защиты от перегрузки

Некоторые ручные пускатели обладают возможностью блокировки при понижении напряжения с автоматическим запуском. Соленоиды длительного действия обесточиваются при прекращении подачи напряжения. Катушка реле должна быть сброшена вручную.

Другой тип ручных пускателей часто используется для управления однофазными двигателями до 5 л.с. и поляризованными двигателями до 10 л.с. Ручной линейный пускатель напряжения обеспечивает защиту от перегрузки с помощью термореле. После срабатывания и истечения интервала времени, достаточного для охлаждения, термореле требует сброса (рис. 4.12).

Рис. 4.12. Ручной пускатель для маломощных двигателей

Магнитные пускатели

Магнитные пускатели обычно используются для управления двигателями, трансформаторами и нагревательными приборами на расстоянии (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Магнитный пускатель постоянного тока

Магнитный пускатель и магнитный контактор, по сути, представляют собой одно и то же. Оба обладают способностью работать с большими токами (рис. 4.14).

Рис. 4.14. Магнитный пускатель с защитой от перегрузки

Основное различие между этими двумя устройствами заключается в том, что у магнитного пускателя есть защита от перегрузки, а не имеющий ее контактор нуждается в дополнительном предохранительном средстве. Подобные устройства выпускаются в нескольких вариантах корпусов: пыленепроницаемых, антикоррозионных, водонепроницаемых, капленепроницаемых. Некоторые их них снабжены также полупроводниковыми схемами для защиты от обрыва фазы и перегрузки.

Основной принцип действия магнитного пускателя заключается в том, что когда ток подается в магнитную катушку, та втягивает якорь, который замыкает контакты стартера и запускает двигатель. Для предотвращения дребезга между магнитом и якорем из-за синусоидального изменения магнитного поля во времени добавляется экранирующая обмотка, помогающая изолировать якорь за счет смещения фазы магнитной катушки. Кроме того, в многослойной стали оставляется зазор, чтобы предотвратить насыщение якоря под действием остаточного намагничивания, имеющего место в катушке после отключения тока (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Магнитный якорь и экранирующая обмотка

В дополнение к защите от перегрузки магнитный пускатель содержит блокировочное устройство, которое в нормальном состоянии открыто и удерживает катушку. Она может быть сломана после того, как пользователь отпустит кнопку выключателя.

Реверсивные магнитные пускатели

Реверсивный магнитный пускатель используется для управления двигателем, который может вращаться в прямом и обратном направлении. В действительности, это два взаимосвязанных контактора. Этот пускатель состоит из двух магнитных контакторов с выводами для двигателя Т1. Т2 и ТЗ. соединенными с L1, L2 и L3 на одном контакторе. Выводы Т1 и ТЗ на другом контакторе включены в обратном порядке (рис. 4.16).

Рис. 4.16. Реверсивный магнитный пускатель и его схема

Ни один из контакторов нельзя включить, если в это время подано питание на другой контактор. Это достигается за счет механического или электрического блокиратора. Если контакты, задающие движение вперед, замкнуты, механические и электрические блокираторы не позволят подать питание на контакты обратного вращения. Некоторые магнитные пускатели подключены к полупроводниковым устройствам, которые обеспечивают защиту от обрыва фазы, перегрузки вследствие воздействия температуры окружающей среды и недостаточной нагрузки. Кроме того, некоторые реверсивные контакторы состоят из двух механически и электрически связанных контакторов, которые расположены горизонтально или вертикально друг относительно друга. Эти контакторы могут быть разных типов: открытые, водонепроницаемые, в корпусе для работы в сложных условиях и могут выпускаться в вариантах для работы при питании 50 или 60 Гц.

Контакторы осветительных приборов

Существует много типов контакторов для осветительных приборов. Вот некоторые из них:

♦ многополюсные;

♦ программируемые:

♦ стандартные с заданным током.

Многие из них используют серебряно-кадмиево-оксидные контакты, которые выдерживают ток до 800 А. Большинство управляют работой ламп накаливания, балластными газоразрядными и другими осветительными приборами большой мощности (рис. 4.17).

Рис. 4.17. Контактор для осветительных приборов А-200

Некоторые предназначены для систем тревожной сигнализации, подъемников, светофоров, ирригационных систем, дверных замков. К большинству таких контакторов также имеется дополнительный набор, который содержит специальные обжимные контактные клеммы, подходящие для соединения и с медным, и с алюминиевым проводом.

Кнопочные выключатели и пульты

В управлении подачей питания используется несколько типов кнопок. Обычно, кнопочная станция снабжена двумя наборами контактов. Один в нормальном состоянии открыт, другой — закрыт. Это означает, что когда один набор замыкается, другой должен открыться, и наоборот. Кнопочные станции используются вместе с магнитными контроллерами. При этом они не обязательно должны быть расположены рядом с ними. Кнопки помогают функциями запуска, остановки, толчкового режима работы, реверса и т. д. Они предназначены также для использования в различных условиях и могут содержать световые индикаторы, ключи, висячие замки (рис. 4.18).

Рис. 4.18. Кнопочные выключатели и пульты

Концевые выключатели

Концевые выключатели, подобно кнопочным, обычно используются вместе с магнитными пускателями. Одним из основных различий между ними является то, что концевые выключатели часто используются для преобразования движения механических устройств в электрические управляющие сигналы (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Концевые выключатели

Описываемые компоненты очень популярны и выполняют огромное количество управляющих операций. Они используются на производственных линиях для их остановки, запуска, увеличения и уменьшения скорости.

Концевые переключатели состоят из внутренних контактов, подвижной механической части и корпуса. Иногда концевые выключатели не заменяют, а ремонтируют. Внутренние контакты изнашиваются, и обычно приходится искать новые. Подвижная механическая часть, состоящая из консоли приводного механизма, рычага, плунжера или ролика, также со временем приходит в негодность или ломается.

Типы концевых выключателей:

♦ с толчковым движением;

♦ качающиеся;

♦ с проволочным потенциометрическим датчиком;

♦ рычажные;

♦ с пружинным возвратом;

♦ внутренние.

Многие из них залиты эпоксидной смолой для защиты от загрязнений и жидкостей.

Барабанные переключатели

Барабанные переключатели широко используются в промышленности. Они осуществляют коммутацию больших токов и обычно представляют собой трехполюсные переключатели с ручным управлением, которые используются для реверса однофазных и трехфазных двигателей. Некоторые барабанные переключатели имеют до 16-ти полюсов и 7-ми перекидных рычагов (рис. 4.20).

Рис. 4.20. Барабанный переключатель и внутреннее расположение его частей

Когда барабанный переключатель используется для управления трехфазным двигателем, необходимо поменять местами два или три вывода внутреннего переключателя. Это легко выполняется с помощью диаграммы соединений на корпусе переключателя. Типовые корпуса барабанных переключателей непроницаемы для воды и масла.

Таймеры

В операциях управления двигателями используется большое количество таймеров:

♦ интервальные:

♦ импульсные;

♦ процентные;

♦ циклические.

Пневматический таймер, показанный на рис. 4.21, представляет собой реле времени, которое срабатывает благодаря изгибу воздушной диафрагмы. Игольчатый клапан управляет натеканием обратного потока воздуха в частично откачанную камеру. Когда диафрагма возвращается в исходное положение с одинаковым давлением с обеих сторон, контакты срабатывают.

После этого схема включается или выключается в зависимости оттого, используются ли нормально разомкнутые или замкнутые контакты. Рабочий диапазон пневматических таймеров составляет от 1/20 с до 3 мин. Для защиты от пикового напряжения может использоваться ограничитель выбросов при переходных процессах. Многие пневматические таймеры заменяются полупроводниковыми, которые предоставляют возможность программируемого задания времени и функции счетчика.

Рис. 4.21. Пневматическое реле времени

Электронные приводы

Электронные приводы представляют собой промышленные системы управления, предназначенные для обеспечения регулирования скорости двигателей (рис. 4.22).

Рис. 4.22. Электронный привод для двигателей

Типичные функции электронных приводов:

♦ пуск/остановка;

♦ вперед/назад;

♦ непрерывный/прерывистый режим работы;

♦ автоматический/ручной и др.

Привод содержит микропроцессор с множеством заданных вариантов регулирования скорости, торможения, вращающего момента и действий при перегрузке. Обычно устройство снабжается цифровым дисплеем для индикации различных отклонений: чрезмерного тока, замыкания на землю, неадекватного напряжения, неверного выполнения функций и т. д.

Программируемые контроллеры

Программируемые контроллеры, которые часто называют также логическими, являются наиболее сложными приборами для управления двигателями и представляют специализированные компьютеры на основе микропроцессоров (рис. 4.23). До внедрения программируемых контроллеров для выполнения тех же функций использовалось огромное количество реле и переключателей.

Рис. 4.23. Программируемый контроллер

Программируемые контроллеры обеспечивают множество преимуществ: гибкое программирование, цифровой дисплей индикации отклонений от заданных режимов, возможность распечатки материалов, замки с ключом для обеспечения безопасности, возможность записи на магнитные носители. В последующих главах программируемые контроллеры будут рассмотрены более подробно.

Датчики

Использование датчиков в производственной сфере, и особенно непосредственно в производстве, резко возросло. Существующие типы датчиков:

♦ фотоэлектрические;

♦ с использованием термопары;

♦ кристаллические;

♦ расстояния;

♦ приборы технического зрения;

♦ сложные цифровые оптоволоконные;

♦ цифровые датчики давления;

♦ устройства чтения штриховых кодов;

♦ лазерные;

♦ цифровые видеомикроскопы.

Датчики имеют очень много применений: регистрация деталей на сборочных линиях, измерения натяжения ремня вентилятора в автомобиле, измерения размеров изделий в соответствии со стандартом качества, измерения неравномерности песчаной формы при литье, подсчет числа выводов полупроводниковых микросхем, измерение эксцентриситета вала, проверка точности паяных соединений, измерение отклонения формы автомобильной шины и даже проверки отсутствия жевательной резинки в упаковке на производственной линии.

Одним из наиболее распространенных является оптоволоконный датчик, который со временем, кажется, становится более популярным, чем фотоэлектрический. Основное действие прибора заключается в движении светового луча по материалу с высоким показателем преломления, который называется сердечником, заключенному в материал с низким показателем преломления, называемый оболочкой. Изменение расстояния при измерении сенсором связано с длиной волокна. Правильная установка и выравнивание передатчика и приемника очень важны для эффективной работы прибора. Обычно датчики снабжены средствами настройки. Регулировка чувствительности может компенсировать неудобства места размещения и внешнее освещение.

Ремонт и тестирование

Обычно при поиске неисправностей управляющих схем двигателей используется замена устройств управления, внутренних деталей, измерение тока, напряжения и сопротивления.

Различные переключатели можно проверить с помощью омметра. Переключатель должен обеспечивать непрерывность цепи в одном положении и разрыв цепи в другом. Непрерывность или бесконечное сопротивление в обоих положениях переключателя означает, что переключатель неисправен. Если термореле перегрузки не сбрасывается или продолжает работать при нормальном токе. Реле, возможно, следует заменить. Прежде всего, имейте в виду, что мог иметь место неправильный выбор термореле. Кроме того, само термореле может быть исправно и правильно выбрано, но внутри реле сломаны детали.

Реле можно также проверить с помощью омметра. Начните с визуального контроля. Проверьте, нет ли обгоревших контактов или обуглившихся катушек. Если вы вручную замкнете реле, омметр должен показывать или непрерывность или обрыв, в зависимости от того, замкнуты или разомкнуты контакты данного реле в нормальном состоянии. Омметр должен показывать непрерывность в одном направлении и обрыв в другом. Кроме того, следует проверить общее сопротивление обмотки. В зависимости от размера катушки ее сопротивление не должно быть нулевым. 0 Ом означает, что произошло короткое замыкание. Бесконечное сопротивление означает, что произошел обрыв. Аналогично, если при подаче питания на катушку, она не втягивает якорь, то, вероятно, произошел обрыв.

Ручные и магнитные пускатели можно легко проверить с помощью осмотра контактов (рис. 4.24).

Рис. 4.24. Магнитный пускатель о разобранном виде

Если вы видите грязь, деформацию, заметили, что компоненты стали пористыми, их следует заменить. Большинство контактов можно очистить доступными растворителями и восстановить с помощью напильника.

Никогда не обрабатывайте напильником серебряные контакты!

Грязные, клейкие пускатели, катушки и другие приборы следует поместить в более подходящий корпус. Хотя для очистки контрольно-измерительного оборудования иногда используется горячая мыльная вода, авторы не рекомендуют подобный метод. Есть много очень хороших очищающих растворителей, которые больше подходят для этой цели.

Если термореле перегрузки срабатывает при нормальном токе или не сбрасывается после срабатывания, его необходимо заменить. Кроме того, убедитесь, что внутри реле перегрузки нет сломанных деталей. Это тоже может вызывать подобную неисправность.

Проверьте также пускатель на слабые соединения и на наличие механических повреждений. Замените сломанные провода или контакты компонентами того же типа. Помните, что если контактор или магнитный пускатель располагается слишком далеко от контрольно-измерительного прибора, то это может увеличить импеданс управляющей схемы и отрицательно отразиться на функциональных характеристиках пускателя. Поэтому лучше, чтобы расстояние между контакторами и приборами было минимально.

Когда вы ищете неисправности реле перегрузки, проверьте, отпускает ли катушка контакты. Уточните температуру окружающей среды. Может быть, необходимо заменить катушку большей. Никогда не воспринимайте что-либо как само собой разумеющееся. Другие факторы, которые следует учесть, если катушка продолжает работать при перегрузке:

♦ показатель уровня обслуживания двигателя;

♦ толчковый режим работы при включении;

♦ длительное время разгона;

♦ перегрузка двигателя;

♦ пониженная частота вращения.

Любой их этих факторов может заставить двигатель потреблять больший ток. чем при нормальном режиме работы для заданной мощности.

Проверьте, держатся ли контакты при срабатывании. Отрицательный результат может означать слишком низкое напряжение. Если контакты быстро изнашиваются, проблема может заключаться в коротком замыкании, низком напряжении, плохих контактах, наличии посторонних объектов или аномальном выбросе напряжения. Имейте в виду возможность неправильного использования пускателя оператором! Чрезмерное усилие при пользовании быстро изнашивает контакты. Если при тестировании не обнаружено никаких неисправностей схемы или питания, проверьте еще раз и подтяните механические соединения, замените контакты и пружины. Контакты продолжают быстро изнашиваться? Тогда, может быть, следует выбрать более мощный пускатель.

Обычными проблемами при проверке магнитных пускателей оказываются грязные и липкие детали, изношенные и слабые контакты, неисправные средства защиты от температурной перегрузки, поврежденные или изношенные механические части и т. д.

Например, если магнитная катушка не втягивает якорь, это может быть следствием неисправности катушки, использования несоответствующей катушки, низкого напряжения, неполной схемы управления, нарушения непрерывности соединений или каких-то механических поломок.

С другой стороны, когда магнитная катушка перегревается, проверьте ее на наличие соответствующего напряжения и тока. Причиной может быть неподходящая катушка или оператор неправильно пользуется пускателем.

Если катушка не отпускает якорь, проверьте ее расположение и убедитесь в отсутствии в пускателе загрязнения или смолы, несоответствующих напряжений или токов, спекшихся контактов или механических повреждений. Шум при работе магнитного пускателя может быть связан с поломкой экранирующей катушки, низким напряжением или любым видом загрязнения или коррозии.

Когда при срабатывании магнитного пускателя начинают возникать перегрузки, проверьте на возможное короткое замыкание или замыкание на землю. Может быть, необходимо заменить средства защиты от перегрузки.

Если возникает дребезг контактов, проверьте на низкое напряжение или неисправные контакты. Любой вариант неправильного использования пускателя оператором или загрязнения в рабочей области могут вызвать преждевременную его поломку.

Типичными проблемами пневматических таймеров являются нестабильная выдержка времени и несрабатывание контактов. Проверьте рабочий механизм на наличие посторонних объектов, которые могут задерживать таймер. Проверьте настройку привода для корректировки синхронизации. В других случаях можно заменить головку таймера, переключатель или катушку. На рис. 4.25 показан типичный трехфазный двигатель 240 В со схемой управления 120 В (низкого напряжения).

Рис. 4.25. Схема управления трехфазного двигателя

Здесь трансформатор с плавким предохранителем обеспечивает низкое напряжение для более безопасной работы. Если двигатель не реагирует на нажатие кнопки запуска, сначала проверьте, что реле перегрузки сброшено. Если реле установлено, проверьте плавкий предохранитель трансформатора на целостность. Проверьте каждый предохранитель в блоке прерывателей, устройства контроля перегрузки, главную панель.

Если найден сгоревший предохранитель, рекомендуется определить причину происшествия. Для этого проверьте двигатель на замыкание на землю, короткое замыкание, плохие контакты, возможное попадание внешних объектов и загрязнение. Проверьте средства управления двигателем на слабые контакты и наличие перегрева катушек.

Когда двигатель не активируется при нажатии кнопки запуска, вручную толкните якорь магнитного устройства. В случае положительного исхода, проверьте целостность кнопочного пульта, плавкого предохранителя линии передачи, магнитную катушку, контакты, провода к линии передачи магнитного устройства управления и т. д. Проблема должна заключаться в неисправном компоненте или слабом контакте. Разделите и протестируйте каждый каскад цепи для определения первопричины поломки.

Сгоревший плавкий предохранитель, замените другим с таким же номиналом. При необходимости используйте компонент с меньшим номиналом, но никогда не следует устанавливать с большим.

Двигатель запускается, но не останавливается при нажатии кнопки остановки, ищите дефектный, неправильно или плохо припаянный провод, ведущий к переключателю. Проверьте кнопочный пульт. Может быть, контакт кнопки заржавел или изношен, что не позволяет ему правильно функционировать. Проверьте все провода на возможные дефекты и целостность.

Если двигатель работает с меньшей, чем нужно, скоростью, или гудит, но не вращается, проверьте фазы на наличие обрыва в одной из них. Начните с измерения напряжения в каждой фазе двигателя. После того как вы определили место, где возник обрыв, пройдите по схеме, отслеживая напряжение до места, где напряжение нормальное. Слабое соединение или сломанный провод могут быть причиной такой проблемы.

Все фазы имеют правильное напряжение? Тогда проверьте двигатель на замыкание на землю и короткое замыкание с помощью мегомметра. Короткозамкнутый двигатель может вести себя так же, как и в случае с обрывом в одной из фаз.

Если оператор жалуется на шумную работу двигателя, попробуйте изолировать причину явления, выяснив, вызвана ли она двигателем или пускателем.

Щелчки или гул в пускателе могут означать сломанную экранирующую катушку, грязные или изношенные контакты, испачканные органы управления, механически изношенный или неправильно расположенный якорь, низкое напряжение. Когда шум исходит из двигателя, это может означать, что подшипники истратили ресурс, изогнут вал, и приводить к чрезмерной вибрации вследствие ослабленного крепления основания двигателя.

Энергосиловая машина продолжает вызывать отключение магнитного устройства защиты от перегрузки? Измерьте ток на выводах двигателя, для того чтобы проверить, не чрезмерен ли поток заряженных частиц. Может быть, двигатель закорочен, или срабатывание защиты от перегрузки может вызываться частичным закорачиванием или замыканием на землю. Еще одна причина — слабые контакты.

Не упускайте из вида очевидное. Излишняя влага, грязь, тепло, коррозия и другие загрязнители могут вызывать отключение по перегрузке или сгорание предохранителей.

Если встречаются расплавленные контакты, эго может быть вызвано несколькими причинами: аномальным током, постоянно низким напряжением, слишком быстрым толчковым режимом работы, загрязнением контактов.

Начните с проверки контактов на наличие загрязнителей. Прочистите их при необходимости, используя очищающие растворители. Несоответствующие напряжения могут возникать при замыкании на землю, коротком замыкании, перегрузке. Вы можете заменить контакты, пружины, якорь. Возможно, придется заменить весь контактор.

Другие факторы могут вызвать нагрев и проблемы с двигателем, в том числе постоянный толчковый режим работы (повторяющиеся запуск и остановка) и торможение противотоком (быстрая остановка двигателя при мгновенном включении его в другом направлении). Неправильные действия оператора также являются фактором, который следует принимать во внимание.

Если двигатель не работает и возникает подозрение в неисправности трансформатора, можно использовать различные методы его диагностики: визуально проверить на наличие обугленной, сгоревшей изоляции или обмоток. Закороченный трансформатор будет горячим на ощупь и издавать неприятный запах.

Обмотки можно проверить с помощью омметра, нулевое сопротивление может означать короткое замыкание. Обрыв в обмотках будет давать бесконечную величину сопротивления. Для проверки характеристик трансформатора можно также использовать вольтметр. Если регистрируется правильное напряжение на первичной обмотке, а на вторичной — неправильное, то в трансформаторе, возможно, произошел обрыв. Убедитесь, что выводы трансформатора не ослаблены. Этот фактор также может означать обрыв.

Типичными неисправностями электронных приводов и контроллеров с программируемой логикой являются ошибки в обмотках, проблемы с линией питания, неисправности двигателя и механики, контроллеров. Пошаговые процедуры поиска дефектов описаны в сервисной документации производителей. При этом используются осциллографы, логические импульсные пробники и индикаторы, цифровые ампервольтомметры и т. д. (рис. 4.26).

Рис. 4.26. Использование логического пробника и индикатора тока для поиска неисправностей программируемого контроллера

Начните с тщательной проверки всех проводов и соединений. Убедитесь в правильности напряжения питания, исправности проводников, средств защиты от перегрузки, соблюдении требований к изолирующему трансформатору.

Проверьте двигатель. Помните о стандартных неполадках проводки, замыкании на землю, обрыве, коротком замыкании, неправильной установке.

Никогда не используйте мегомметр для проверки двигателя, если он подключен к контроллеру, это может привести к повреждению. Всегда имейте в виду очевидные механические проблемы: защемления, чужеродные объекты, разломы и др.

Обычный термин, связанный с обслуживанием программируемых контроллеров, это ошибка периферийного устройства. Периферийными устройствами называются все внешние приборы и оборудование, подключенное к контроллеру: реле, переключатели, кнопки, провода.

Операторы сразу обвиняют контроллер, в то время, как неисправность чаще всего связана с периферийным устройством, потому как если не сработает любое из них, то не сработает и контроллер. Кроме того, вибрация, интенсивные переходные процессы, дребезг и нагрев могут привести к ложному срабатыванию контроллера, что потребует перепрограммирования.

Например, если двигатель привода не запускается, проверьте разъединители и плавкие предохранители, чтобы убедиться в правильности напряжения сети. Протестируйте катушку торможения, соленоиды, фиксаторы, диодные или выпрямительные сборки, термореле, внешние устройства защиты от перегрузки и автоматические выключатели.

Если реле или автоматический выключатель необходимо сбросить, то прежде чем это сделать, проверьте двигатель на короткое замыкание и замыкание на землю. Измерения выходных сигналов контроллера часто выполняются с помощью цифровых омметров с зажимами, цифровых ампервольтомметров, ручных тахометров, осциллографов. Поиск неисправностей программируемых логических контроллеров и связанных с ними устройств будет рассмотрен в следующих главах.

Профилактическое техническое обслуживание

Общепризнанно, что срок службы устройств управления двигателем зависит от типа технического обслуживания и условий работы. Грязные, липкие устройства нужно очистить жесткой щеткой и растворителем. Если управляющее оборудование необходимо подвергнуть воздействию воды, после этого его обязательно следует высушить перед началом использования. Для подтверждения правильной изоляции катушек проверяйте их с помощью омметра или мегомметра.

Контроллеры необходимо периодически проверять на наличие изношенных частей, слабых соединений, недостаточно упругих пружин. Грязные, подвергшиеся коррозии медные или покрытые кадмием контакты рекомендуется чистить и обтачивать для сохранения надлежащей формы. Серебряные контакты не следует обрабатывать напильником. Нарушения формы или цвета обычно не препятствуют работе.

Для предотвращения поломок вследствие чрезмерного трения может понадобиться смазка двигателей и устройств управления. Однако обычно пускатели не смазывают, поскольку на смазке скапливается пыль и другие загрязнители, которые вызывают износ устройства. Большинство двигателей требуют периодической очистки, смазывания или замены подшипников.

Большинство кожухов для водяного охлаждения необходимо периодически промывать и заменять для предотвращения образования коррозии. Кроме того, должен обеспечиваться соответствующий уровень масла, также необходимо постоянно проверять давление масла или воздуха для выявления возможных утечек.

Здравый рассудок и небольшой уход помогут предотвратить многие отказы и поломки устройств управления. Следите за тем, чтобы защитные детали были надежно закреплены, не допускайте изнашивания ремней, органов управления, потрескавшихся, обугленных или хрупких проводов. Такие провода необходимо заменить.

Если нельзя заменить весь провод, можно нарастить новую секцию. При замене используйте точно такой же провод и убедитесь, что электрические и механические соединения надежны. Выполните пайку или используйте соединительные клеммы. Наконец, убедитесь, что соединения хорошо изолированы специальной лентой или проходными изоляторами.

Электронные приводы и программируемые контроллеры, хотя и являются износостойкими устройствами, чувствительны к температуре, влажности, химикатам, влаге, другим неблагоприятным влияниям окружающей среды. Регулярно проводите техническое обслуживание каждого устройства в соответствии с руководствами изготовителей.

Вопросы для самоконтроля

Выберите наилучший ответ:

1. Изменение направления тока в катушке:

а) не меняет полярности магнита

б) разрушает катушку,

в) изменяет полярность;

г) ничего из перечисленного.

2. Простейший вид устройства управления двигателя:

а) тумблер;

б) магнитный переключатель;

в) барабанный переключатель;

г) реле.

3. Иное название магнитного пускателя:

а) ручной переключатель;

б) контактор;

в) ручной пускатель;

г) магнитное устройство управления.

4. Какой тип устройства защиты от перегрузки содержит специальный сосуд:

а) с плавящимся сплавом;

б) биметаллический;

в) магнитный;

г) плавкий предохранитель.

5. Какой тип устройства защиты от перегрузки использует принцип электромагнетизма:

а) с плавящимся сплавом;

б) биметаллический;

в) магнитный;

г) плавкий предохранитель.

6. Обнаружено, что сгорел плавкий предохранитель, но на замену нет такого предохранителя, а есть предохранители 10 и 3 °Cледует использовать:

а) плавкий предохранитель 10 А;

б) плавкий предохранитель 30 А;

в) любой из перечисленных;

г) плавкий предохранитель 40 А.

7. Низкое напряжение часто приводит к тому, что устройство управления:

а) засоряется;

б) работает более эффективно;

в) щелкает;

г) ничего из перечисленного.

8. Быстрая остановка двигателя с помощью мгновенного включения двигателя в обратном направлении называется:

а) толчковое движение;

б) медленное вращение;

в) торможение;

г) последовательная работа.

9. Горячий, дымящийся трансформатор означает:

а) обрыв в схеме;

б) короткое замыкание;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

10. Короткозамкнутый двигатель вызывает:

а) малый ток;

б) большой ток;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного;

11. Ручной трехфазный пускатель иногда используется для включения и выключения двигателя до:

а) 5 л.с.;

б) 10 л.с.;

в) 15л.с.;

г) 20 л.с.

12. Прибор, который используется для управления двигателем на расстоянии, называется:

а) магнитный пускатель;

б) барабанный переключатель;

в) выключатель мгновенного действия.

13. Какое из перечисленных понятий является характерным для таймера:

а) интервал;

б) импульс;

в) процент;

г) все перечисленные.

14. Прибор, который контролирует поток воздуха обратно в камеру пневматического реле времени, это:

а) диафрагма;

б) игольчатый клапан;

в) экранирующая катушка;

г) все перечисленное.

15. Если двигатель работает, но не останавливается, проблема может заключаться в следующем:

а) сгорел предохранитель;

б) возникло замыкание в держателе;

в) произошла перегрузка вследствие слишком частого толчкового режима и торможения противотоком;

г) ничего из перечисленного.

16. Если двигатель работает с недостаточной скоростью или не работает и гудит, что нужно искать в магнитном пускателе?

а) обрыв фазы;

б) сварившиеся между собой элементы подвижной части;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

17. Повторяющийся пуск и остановка двигателя называется:

а) шаговый режим;

б) толчковый режим;

в) фазирование;

г) большое время разгона.

18. Щелчки или гул в магнитном контакторе может быть связан с тем, что:

а) сломана экранирующая катушка;

б) контакты грязные или изношенные;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

19. Какие из следующих контактов не следует обрабатывать напильником:

а) покрытые кадмием;

б) покрытые серебром;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

20. Увеличение нагрева двигателя может быть вызвано:

а) длительным толчковым режимом;

б) повторным включением;

в) повторяющимся торможением;

г) обоими «а» и «б»;

д) ничего из перечисленного.

21. Системы управления бывают двух типов: с замкнутым контуром и:

а) одним контуром;

б) двумя контурами;

в) разомкнутым контуром;

г) управляющим контуром.

22. Прежде чем обсуживать двигатель или устройство промышленного назначения, специалист по поиску неисправностей должен:

а) отключить питание;

б) проверить проводку;

в) провести обслуживание контроллера;

г) заменить предохранитель.

23. Концевой выключатель состоит из трех частей:

а) контакты, рычаг, подшипник;

б) привод, переключатель, магнит;

в) привод, барабан, таймер:

г) контакты, подвижная механическая часть и корпус.

24. Барабанный переключатель может содержать до:

а) 3 полюсов;

б) б полюсов;

в) 8 полюсов;

г) 16 полюсов.

25. ПЛК называют:

а) схему логической обработки;

б) устройство управления с программируемой логикой;

в) контроллер логической обработки;

г) схему с программируемой логикой.

26. Одной из наиболее типичных проблем программируемых устройств управления являются:

а) ошибки соединений;

б) неисправности в линии питания;

в) неправильная работа двигателя;

г) все перечисленное.

27. Никогда не следует проверять двигатель, соединенный с программируемым устройством управления с помощью:

а) мегомметра;

б) омметра;

в) тахометра;

г) осциллографа.

28. Ручной тестовый инструмент для проверки выходных сигналов контролера это:

а) амперметр с зажимами;

б) мегомметр;

в) тахометр:

г) осциллограф.

29. Если реле перегрузки программируемого устройства управления размыкается, то рекомендуется проверить двигатель на:

а) замыкание на землю.

б) обрыв;

в) короткое замыкание;

г) все перечисленное.

30. Обычно для обслуживания большинства программируемых контроллеров изготовитель поставляет:

а) устройство управления для замены;

б) тестовые инструменты;

в) руководство по поиску неисправностей;

г) ничего из перечисленного.

Вопросы и проблемы

1. Перечислите основные функции устройства управления двигателем.

2. Расскажите об основах теории прерывателя цепи.

3. Что такое тумблер?

4. Каковы преимущества магнитного пускателя по сравнению с ручным пускателем?

5. Опишите характеристики магнитного пускателя.

6. Что такое концевой выключатель?

7. Расскажите о теории работы термореле перегрузки на основе плавящегося сплава.

8. Расскажите о теории работы биметаллического термореле перегрузки.

9. Расскажите о теории работы магнитного реле перегрузки.

10. Что такое пневматический таймер?

11. Как проверять реле?

12. Перечислите различные методы проверки трансформатора.

13. Какова правильная техника чистки катушек?

14. Какова может быть неисправность двигателя, который вращается с половинной скоростью?

15. Перечислите различные типы шума от двигателя и устройства управления двигателем. Каковы причины шума?

16. Что такое экранирующая катушка?

17. Дайте определение термина «толчковый режим».

18. Дайте определение термина «торможение противотоком».

19. Почему при операциях управления двигателем часто используется низкое управляющее напряжение?

20. Расскажите о техническом обслуживании и сервисе управляющих контактов двигателя.

21. Что такое электронный привод?

22. Что такое программируемое устройство управления?

23. Перечислите функции электронного привода.

24. Перечислите различные дефекты, которые индицируются на цифровом дисплее электронного привода.

25. Перечислите различные характеристики программируемого устройства управления.

26. Расскажите о типичных неисправностях программируемых устройств управления.

27. Почему специалист по поиску неисправностей никогда не должен использовать мегомметр для проверки двигателя, если он соединен с программируемым устройством управления?

28. Перечислите типичные тестовые инструменты для проверки программируемых устройств управления.

29. Перечислите типичные проблемы, связанные с электронными приводами и программируемыми устройствами управления.

30. Что следует проверить с помощью приборов, если электродвигатель с электронным приводом не запускается?

Глава 5

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ БЫТОВОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Электропроводка предоставляет среду, посредством которой энергия передается к электрическим двигателям, устройствам управления, другому электрическому и электронному оборудованию. В этой главе даются общие сведения о проводке бытового и промышленного назначения, а также представлена методика поиска неисправностей. Кроме того, рассмотрены процедуры проверки и ремонта систем телевизионных кабельных сетей и систем освещения бытового и промышленного назначения.

Основные сведения

Большинство схем электропроводки состоит из четырех основных частей:

♦ источник питания;

♦ линия передачи;

♦ устройство управления;

♦ рабочее устройство.

Однофазные источники питания обычно содержат распределительный щит, который дает 120/240 В. Современные модели обеспечивают ток от 60 до 200 А. В распределительном щите каждая индивидуальная цепь подключена к линии с фазным напряжением и к нейтральной линии заземления (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Пример источника питания 120 и 240 В с трансформатором

На распределительном щите цепь фазы обычно выполняется из черного или красного провода, если напряжение составляет 240 В. Нейтральный провод обычно белый, а зеленый выполняет роль предохранительного приспособления и заземления. Плавкие предохранители или прерыватели защищают линию фазы от перегрузок. Нейтральная сторона почти всегда подключена к земле путем соединения этого провода с заземляющим стержнем или водопроводной трубой с холодной водой, в зависимости от местных правил (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Схема распределительного щита

Устройство, которое называется заземлением оборудования, состоит ил монтажного провода, который соединен с нейтральным выводом на распределительном щите (общая земля), с металлической приемной коробкой и третьим отверстием в розетке. Возьмем, к примеру, дрель. Она должна иметь вилку с двумя или тремя штырями и пружинящими контактами, соединенными проводом с металлическим корпусом инструмента (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Распределительный щит, розетка, и ручная дрель, демонстрирующие применение провода заземления

Если при работе с дрелью происходит замыкание на землю, ток пойдет не через оператора, а через этот провод заземления назад к источнику. Если защитное заземление не предусмотрено, ток с фазной линии может пойти через заземленную дрель, оператора и назад в заземление на землю (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Примеры заземленной и незаземленной схемы

Системы заземления защищают операторов и оборудование. Программируемые устройства управления и компьютеры особенно чувствительны к замыканию на землю. Приборы более подвержены замыканию на землю, если они работают в среде с высокой влажностью, например в подвалах и на расположенных под открытым небом объектах: на промышленном складе или на цокольном этаже с влажным полом оператор и оборудование в большей степени подвержены риску замыкания на землю.

Специалист по обслуживанию не должен думать, что третий штырь вилки всегда защищает оборудование и оператора. Нередко цепь провода заземления имеет обрыв. В старых промышленных установках очень часто встречаются розетки с незаземленными контактами. Даже если розетка снабжена заземлением, это не гарантирует защиту во влажных и сырых помещениях ни оператору, ни оборудованию.

Для защиты двигателей, устройств управления и другого промышленного оборудования были разработаны усовершенствованные программируемые технологии. Рис. 5.5 показывает программируемое устройство, спроектированное для защиты больших и дорогостоящих двигателей. Оно предохраняет не только от замыкания на землю, но и от заклинивания, перегрузок, неравенства фазных напряжений, других проблем питания и нагрузки.

Рис. 5.5. Программируемое устройство защиты двигателя

Менее дорогостоящие средства защиты от замыкания на землю называются устройствами защитного отключения (УЗО). На рис. 5.6 показан типичный бытовой выключатель УЗО. Прерыватель похож на размыкатель цепи, но защищает схему от замыкания на землю. Он срабатывает, как только небольшой ток начинает течь на землю.

Рис. 5.6. Типичное устройство защитного отключения

Большинство систем электропроводки, расположенных в жилых зданиях, обычно используют провод № 14 для тока 15 A, № 12 для тока 20 А, № 10 для тока 30 А, № 8 для тока 40 А, и № 6 для тока 55 А.

Максимальная мощность оборудования 20 А общего назначения составляет 2400 Вт, а для цени 15 А — около 1800 Вт (при напряжении 120 В). Общее потребление одновременно включенных устройств не должно превышать возможностей сети питания. При расчете схем бытовой проводки обычно предполагается, что на каждые 35 м^2. площади необходимо обеспечение 15 А. Розетка должна быть доступна каждые 3,6 м по длине стены. Обычно оборудование мощностью 8000-18 000 Вт должно иметь отдельную проводку 240 В (40 А). Электрический нагреватель воды (2000–4000 Вт) требует отдельной цепи 240 В (40 А). В кухнях обычно предусматриваются две или три отдельные цепи 20 А для электрических устройств. Часто одна цепь общего назначения 15–20 А может обеспечить две спальни и ванную.

Используется три основных типа кабеля: с неметаллическим чехлом, гибкий армированный кабель и тонкостенная металлическая трубка, которую часто называют просто трубкой. Она обычно выпускается секциями по 3 м и может иметь разные размеры: 25 мм с четырьмя проводами № 14 или тремя проводами № 12; 20 мм с четырьмя проводами № 10 или пятью проводами № 12 и т. д.

Существуют различные типы труб: тонкостенные, пластмассовые, неупругие. Неметаллические кабели подразделяются по назначению для помещений и для внешних соединений. Обычно в схемах переключения используются однополюсные схемы и схемы на три или четыре направления (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Однополюсный переключатель, управляющий работой лампы

Переключатель на три направления регулирует питание одной или более ламп из двух мест. В положении, показанном на рис. 5.8, лампа выключена, а при повороте любого переключателя лампа загорится. Для этой схемы необходима трехпроводная линия между переключателями.

Рис. 5.8. Переключатель на три направления, управляющий работой лампы

Руководит работой одной или более ламп из трех мест переключатель на четыре направления (рис. 5.9).

Рис. 5.9. Переключатель на четыре направления, управляющий работой лампы

Здесь для соединения также необходим трехпроводный кабель. Кроме того, средний переключатель должен работать на четыре направления. Если нужно обеспечить управление более чем из трех мест, просто добавляйте переключатели на четыре направления.

Четырехпроводная система состоит из трех фаз, которые имеют одинаковое напряжение, и четвертого провода заземления, который используется для защиты и уменьшения напряжения. На рис. 5.10 показаны системы с соединением «треугольником» и «звездой», которые обычно используются в школах, офисах и промышленности.

Рис. 5.10. Схемы соединения звездой и треугольником

Ремонт цепей электропроводки

К числу обычных неисправностей, которые возникают в цепях электропроводки бытового и промышленного назначения, относятся обрывы, замыкание на землю, короткое замыкание и проблемы коэффициента мощности. Обрыв, замыкание на землю и короткое замыкание уже были рассмотрены ранее, а трудности, связанные с коэффициентом мощности, более характерны для промышленных сетей и силовых устройств переменного тока. Типичной проблемой, возникающей в трехфазных системах промышленного назначения, является низкий коэффициент мощности. Любой тип цепей или устройств переменного тока с реактивным сопротивлением индуктивного типа — нагреватели, лампы, двигатели, устройства управления — вызывает запаздывание нарастания синусоидальной полуволны тока относительно полуволны напряжения, которое выражается в процентах и часто изменяется в пределах 30–90 %, при этом второй показатель наиболее приемлем по сравнению с первым. Коэффициент мощности представляет собой косинус фазового угла между напряжением и током. При низком коэффициенте мощности потребляется большой ток, это неэкономично и дорого, а также увеличивает нагрев. Скорректировать его можно при помощи добавления в схему параллельно подключенной емкости (рис. 5.11).

Рис. 5.11. Корректировка низкого коэффициента мощности за счет добавления конденсатора

Коррекция коэффициента мощности обычно выражается в единицах, называемых «ВАР» (вольт-ампер-реактивный) или килоВАР и осуществляется за счет добавления конденсаторов, которые уменьшают разность фаз между напряжением и током в схеме. Поэтому двигатель с коррекцией коэффициента мощности рассеивает меньше энергии в варах, что снижает потери и затраты.

На рис. 5.11 обратите внимание, что блок конденсаторов имеет плавкий предохранитель для дополнительной защиты на каждой линии. Это делается на случай, если один из конденсаторов будет закорочен. Между конденсаторами установлены резисторы утечки для разряда конденсаторов после выключения устройства и уменьшения риска электрического удара. Заметьте, что конструктивно сами конденсаторы могут размещаться на входе источника питания, двигателе или перед нагрузкой двигателя.

При поиске неисправностей систем электропроводки попробуйте сначала ориентироваться с помощью чувств. Если размыкатель просто сработал, но не сбросился, подумайте, что могло вызвать этот эффект. Может быть, кто-то просто включил устройство и вызвал этим перегрузку в цепи. Чувствуете ли вы необычные запахи? Откуда эти странные звуки? Проверьте систему на наличие трещин, обугленных элементов, запахов, механических поломок и т. д.

Если в системе электропроводки есть блок плавких предохранителей, проверьте основные с помощью вольтметра.

На рис. 5.12 демонстрируется метод локализации сгоревшего предохранителя в однофазной системе. Когда выводы вольтметра подключены к линии (справа вверху), по показаниям прибора мы можем видеть, что напряжение есть. Когда вольтметр подключен к контактам после плавких предохранителей (слева вверху) и нет индикации, мы знаем, что предохранитель сгорел. Последний предохранитель проверяется таким же образом.

Рис. 5.12. Проверка плавких предохранителей в однофазной системе

В трехфазной системе предохранители можно проверить вольтметром или омметром таким же образом, как они тестируются в однофазной системе (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Проверка плавких предохранителей в трехфазной системе

Другим прибором, который часто используется для проверки после завершения установки бытовой проводки, является тестер розеток (рис. 5.14). Он индицирует типичные неисправности цепей: обрыв фазы, обрыв нейтрального проводника, фазный и нейтральный провода перепутаны, изменение порядка подключения фаз.

Рис. 5.14. Тестер розеток

Обычными неисправностями в промышленных электросетях являются короткие замыкания и обрыв провода, а также замыкание провода на металлическую оболочку (трубку). Используя рис. 5.15 в качестве примера типичной промышленной цепи, мы рассмотрим поэтапную процедуру поиска неисправностей.

Рис. 5.15. Типовая промышленная электросеть

Проверьте:

1. Подачу питания с линии на основной распределительный щит.

2. Наличие грязи, плохого прижима контактов или сгоревших предохранителей. Качество блока размыкателей: нет ли там изношенных или подвергшихся коррозии ножей, дефектных плавких предохранителей, неправильно работающих приводных механизмов.

3. Устройство управления двигателем и провода, ведущие к устройству и от него. На слабые, ненадежные контакты, грязь, масло, закороченные обмотки и т. д.

4. Непрерывность цепи от блока размыкателей до устройства управления двигателем с помощью омметра. Если в устройстве управления двигателем есть напряжение и оно работает правильно при подаче питания, мы можем точно сказать, что дефект должен находиться между устройством управления и двигателем.

5. Проводку между устройством управления двигателем и распределительной коробкой на обрыв в схеме, короткое замыкание или замыкание на землю. В нашем примере мы обнаружили, что провода в трубке имеют обрыв и замкнуты на трубку.

6. Соединительную коробку, на слабые соединения, соединительные клеммы, зажимы провода внутри коробки и т. д. на наличие влаги, грязи, масла.

7. После восстановления, исправность линии между распределительной коробкой и электродвигателем.

8. Действие кнопочного переключателя и двигателя.

Таким простым и логичным способом мы можем выявить неисправность.

Помните, что если кабель вызывает сгорание предохранителей или срабатывание размыкателя без нагрузки, а все устройства управления были проверены, значит, кабель закорочен.

В таком случае лучше воспользоваться преимуществами, которые дает трубка. Старые закороченные провода можно легко вытянуть из нес и вставить другие, используя моток гибкой стальной проволоки. Если неметаллический кабель требует замены, то, вероятно, сделать это будет сложно, не вскрывая стены, если вообще возможно. Вытаскивая неметаллический поврежденный кабель, прикрепите к нему новый и тяните его внутрь, по мере того, как вытягиваете старый. Трубка также механически прочнее и лучше защищает медный провод. Именно поэтому вся наружная проводка должна выполняться с применением трубок.

Если в цепи используется устройство защитного отключения, то необходимо проследить все ответвления, проверив их на наличие влаги и/или короткозамкнутые или замкнутые на землю провода. Основное преимущество прерывателей защитного отключения заключается в том, что они могут спасти жизни и предотвратить травму за счет автоматического отключения подачи энергии. Они могут сработать под воздействием влажности различного происхождения — и это их недостаток. Например, очень часто прерыватель срабатывает в жаркую, дождливую погоду или во время ливня, хотя никакой угрозы не возникло. Другой недостаток заключается в том, что даже если прерыватель сработал, через него может пройти выброс напряжения (пусть даже длительностью в микросекунды), который может нанести удар человеку, в результате существенно возрастает риск травмы. Это может быть особенно опасно для того, кто работает на высоко расположенной подставке. Другой защитный прибор, в сочетании с изолирующим трансформатором, может устранить этот недостаток прерывателя замыкания на землю.

Для проверки сопротивления изоляции трехфазных распределительных кабелей можно использовать мегомметр. Тестируйте провода по очереди, подключая мегомметр к одной линии, соединив и связав две другие вместе и заземлив их (рис. 5.16). Сравните показания омметра с требованиями стандарта кабеля, зависящими от его размера, длины и условий работы.

Рис. 5.16. Проверка сопротивления изоляции с помощью омметра

Кроме ремонта кабеля, может потребоваться замена или восстановление механически поврежденной или обуглившейся изоляции. Эта ситуация наиболее часто встречается, когда в наличии нет конкретного изолятора.

Другой способ поиска неисправностей систем проводки заключается в поочередном отключении секций цепи. С использованием мегомметра или омметра отследите прохождение сигнала в системе от точки к точке, отсоединяя по одной части схемы по очереди, до тех пор, пока не обнаружите короткое замыкание, обрыв или замыкание на землю (рис. 5.17).

Рис. 5.17. Процедура поиска неисправностей в проводке промышленного назначения

Например, для того чтобы выявить замыкание на землю, сначала отсоедините двигатель в точке С и проверьте напряжение в линии с помощью мегомметра. Затем отсоедините устройство управления двигателем и проверьте напряжение. После этого проверьте распределительный щит.

Каждый специалист по поиску неисправностей в промышленном оборудовании сталкивается с разнообразными распределительными щитами, блоками размыкателей, другими заключенными в корпус средствами проводки и управления. Проблемы, связанные с ними, обычно заключаются в некачественных соединениях, сломанных проводах, коррозии контактов, неисправных плавких предохранителях или размыкателях.

Визуальное тестирование позволит выявить большинство механических неисправностей оборудования. Проверьте, нет ли признаков загрязнения, сломанных проводов или разъемов. Советуем вам воспользоваться специальным диагностическим оборудованием. Однако помните, что если размыкатель не сбрасывается, часто срабатывает или функционирует нечетко, его следует заменить.

В крупных системах распределения электроэнергии иногда используется комбинация размыкателя цепи с видимыми изолированными контактными ножами, который называется «выключателем цепи». Этот прибор основан на пружинном механизме и вакуумном прерывателе для обеспечения полной защиты от фазового сверхтока, фазовых потерь и замыканий.

В блоках размыкателей есть очень надежный переключатель, расположенный на фланце с рукояткой для остановки подачи энергии от двигателей, насосов, устройств управления и др. Однако, если все же произошла поломка, проверьте на наличие неисправностей приводной механизм, сломанную или отсоединившуюся пружину или соединительное звено, изношенную, или подвергшуюся коррозии нажимную пластину или держатель плавкого предохранителя.

Корпуса распределительных щитов, блоков размыкателей и др. могут быть механически испорчены, подвергнуться коррозии под воздействием атмосферы, быть повреждены химическими соединениями, маслом, влагой, грязью и пр. Исправьте незатянутые соединения, закороченные провода, некачественные гибкие соединители, механические повреждения, удалите коррозию.

На рис. 5.18 показан пример корпуса промышленного устройства управления. Обратите внимание на аккуратное расположение и состояние проводов и соединений.

Рис. 5.18. Трехфазная проводка промышленного назначения и корпус распределительной панели

Провода должны иметь длину, обеспечивающую не слишком тугое и в то же время не чересчур свободное соединение, что позволит предотвратить возможные проблемы: короткое замыкание или отсоединение. Собирая кабель в электрических коробках, оставляйте 15 см для гибкого соединения, обычно выполняемого с помощью пластмассовых клеммных разъемов.

Ремонт систем освещения

Системы освещения бытового и промышленного назначения часто требуют обслуживания. Вот некоторые типы стандартных ламп:

♦ накаливания;

♦ флуоресцентные;

♦ газонаполненные;

♦ ртутные;

♦ газоразрядные;

♦ высокого и низкого давления и др.

Лампы накаливания (которые обычно и называются электрическими), как правило, используются в жилых зданиях. Типичной их проблемой является треснутый патрон, низкое напряжение, которое значительно уменьшает эффективность, (яркость) лампы. И основная проблема, с которой необходимо бороться, — вибрация. Именно это явление чаще всего приводит к обрыву вольфрамовой нити.

Существует несколько типов флуоресцентных осветительных систем: с предварительным нагревом и быстрого включения. Первый из рассматриваемых типов требует вспомогательного запускающего переключателя, при активации которого дроссель стартера обеспечивает пусковой ток для предварительного нагрева электродов флуоресцентной лампы. Через несколько секунд пускатель срабатывает и лампа загорается.

К числу обычных проблем ламп с предварительным нагревом относятся мигание и неспособность загореться. Эти неполадки могут возникать из-за сломанного гнезда, неправильной установки, низкого напряжения, грязи, ошибок в проводке, неисправной лампы, дросселя или пускателя. Наиболее часто встречаются низкое напряжение, грязные лампы или неисправный пускатель.

Лампы быстрого и мгновенного включения отличаются от описанных выше тем, что не требуют пускателя. Дроссель имеет встроенную обмотку, которая обеспечивает необходимый ток. Типичной проблемой этих компонентов является то, что при загрязнении, особенно в условиях высокой влажности, лампа не загорается, а мигает. В таких случаях осветительный прибор необходимо прочистить или заменить. Другие проблемы заключаются в сломанном гнезде, низком напряжении, неправильной проводке или неисправном дросселе.

Ртутные газонаполненные лампы обычно используются в промышленности и обеспечивают яркое освещение, но требуют постоянного и надежного источника питания. При скачках напряжения лампа не работает, затем в течение 5-10 мин охлаждается, чтобы вернуться к прежней яркости. Слабые места подобных устройств: низкое напряжение, перебои в подаче питания, неисправные трансформаторы.

Лампы высокого давлении работают аналогично ртутным и газонаполненным и также требуют надежного постоянного источника напряжения, достаточного времени, чтобы охладиться перед повторным включением. Проблемы: несоответствующее напряжение, перебои в подаче питания, неисправные лампы и дроссели.

Ремонт распределенных систем телевидения

Область радиосвязи и телевидения продолжает развиваться. Появляются все новые технологии: спутниковые системы бытового и коммерческого назначения, устройства медицинской телеметрии, цифровое радиовещание, усовершенствованные распределенные системы антенн.

Этот сегмент технического обслуживания можно освоить, если понять принципы работы и поиска неисправностей распределенной системы антенн.

Антенна — первичный компонент системы, отвечающий за прием сигнала.

Предусилитель, который располагается в корпусе антенны, повышает качество приема сигнала.

Распределительный усилитель используется для усиления сигнала до уровня, достаточного для хорошего приема.

Например, на рис. 5.19 показан однокаскадный распределительный усилитель для использования п средних и больших системах кабельного телевидения с приемом на общую антенну и телевидения с использованием главной антенны.

Рис. 5.19. Полупроводниковый распределительный усилитель, предназначенный для усиления сигналов VHF и UHF

Он характеризуется регулятором коэффициента усиления. настраиваемым высокочастотным фильтром, максимальной стабильностью сигнала. Разветвитель разделяет сигналы и отправляет их в линию передачи. Самые распространенные типы данных компонентов — на 2 и 4 направления (рис. 5.20).

Рис. 5.20. Разветвитель на два направления для разделения и согласования сигналов коаксиальной линии 75 Ом

Ответвитель используется для направления части сигнала от основной линии к приемнику. Два основных типа описываемых устройств — это линейный и промежуточный ответвитель.

Линейный ответвитель монтируется на стене около телевизионного приемника. Он обеспечивает разделение выходных каналов гак, что приемники не влияют друг на друга, предотвращая размытость и паразитное изображение.

Промежуточный ответвитель используется, когда несколько телеприемников расположены на большом расстоянии от основной линии. Он ведут сигнал непосредственно к телевизору, что упрощает установку (рис. 5.21).

Рис. 5.21. Направленный линейный промежуточный ответвитель на один телеприемник

Устройства согласования предназначены для обеспечения соответствия сигналов от антенны телевизионным приемникам. Существует несколько различных типов устройств согласования. Например, если используется отдельная антенна MB (метровых волн) и ДМВ (дециметровых волн), то устройство согласования предназначено для трансформирования этих отдельных сигналов в единый выходной сигнал при выходном сопротивлении 75 или 300 Ом, что устраняет необходимость тянуть две отдельных линии к телеприемнику. Устройства согласования часто устанавливаются на антенне или на чердаке.

Фильтры используются для ослабления определенных сигналов (частот), устраняя наложение сигналов. Любительский диапазон радиочастот и диапазон ЧМ нередко накладываются друг на друга. Большинство фильтров FM предназначены для ослабления частотно модулированных сигналов в диапазоне 88-108 МГц. Для фильтрации нежелательных частот используются также аттенюаторы.

Антенна представляет собой проводник, который принимает электромагнитные волны, возбуждающие ток соответствующей частоты. Ее длина и резонансный эффект непосредственно связаны с частотой и длиной волны: длина антенны обратно пропорциональна частоте. Для измерения коэффициента усиления потерь или качества изоляции антенны и кабелей используется единица децибел (дБ).

Децибел — это соотношение двух напряжений (точнее, логарифм отношений), входного и выходного напряжения системы антенна/кабель. Тысяча микровольт эквивалентны одному дБ при относительном напряжении 1 мВ.

В качестве антенного провода используют, в основном, коаксиальный кабель 75 Ом и двухпроводный 300 Ом. Он имеет круглое сечение и стоит дороже, чем двухпроводный кабель, идеален для прохождения через трубы, защищен от погодного влияния, имеет хорошую экранировку от внешних помех и защиту от интерференции.

Есть два основных типа двухпроводного кабеля — стандартный плоский и цилиндрический с пенным наполнителем.

Первый двухпроводный кабель дешевле, но не так устойчив к плохим погодным условиям, как кабель с наполнителем. Никакой двухпроводной кабель не дает достаточной защиты от помех и интерференции.

На рис. 5.22 показана распределенная система на 82 канала и 96 телевизионных приемников. Эта система иллюстрирует использование разделителей, линейных ответвителей, усилителя, источника питания, предусилителя и антенны. Нагрузочные резисторы используются для предотвращения возникновения отраженной волны в линии передачи.

Рис. 5.22. Телевизионная система с главной антенной для комплекса жилых зданий

Более совершенные антенные системы обеспечивают прием цифровых спутниковых сигналов, качественный прием видеосигналов, CD-звук и возможность доступа к сотням каналов.

Например, мобильная цифровая спутниковая система Winegard имеет антенну из стали с покрытием методом горячего цинкования с защитой от ультрафиолетового излучения и влияния погодных условий. Различные типы спутников включают мобильные системы с ручным и автоматическим цифровым наведением и переносные домашние установки с дополнительными наборами.

Чтобы гарантировать корректную работу распределенных систем телевидения следует помнить о нескольких правилах. Антенна должна быть хорошего качества и обладать хорошей коррозионной устойчивостью. Она должна быть надежно установлена для обеспечения правильной ориентации.

Если антенна неверно направлена, она может плохо принимать сигнал или будут возникать паразитные изображения из-за того, что волна отражается от различных объектов, например больших зданий.

Отраженный сигнал фактически несколько задерживается. Он поступает в антенну вскоре после основного сигнала и оказывается слегка смещенным вправо на телевизионном экране. Для устранения этой проблемы необходимо перенаправить антенну или установить более узконаправленную антенную систему.

Другой вариант: попробуйте установить антенну поменьше, ту, что имеет высокий коэффициент обратного излучения, но среднее значение коэффициента усиления.

Антенна должна устанавливаться вдали от деревьев, металлических и крупногабаритных объектов, например, на чердаке или крыше. Однако помните, что теплоизоляция на подложке из алюминиевой фольги и металлические кровельные материалы могут ослабить сигнал.

Основная причина проблем устройства для излучения и приема электромагнитных волн заключается в коррозии под воздействием осадков. Антенну следует заменить, если очевидна потеря сигнала.

Пробой изоляции, вызванный неблагоприятными условиями погоды, — главная причина неполадок распределительных линий.

Линию передачи можно проверить омметром. Кроме того, используя небольшой телевизор или монитор, можно проследить прохождение сигналов в антенне шаг за шагом.

Распределительную линию можно также проверить с помощью замены ее заведомо исправным кабелем. Помните, что короткое замыкание в коаксиальном кабеле не всегда вызывает короткое замыкание в схеме. Закороченный кабель часто действует как фильтр, очевидно, вследствие наличия активного сопротивления по постоянному току и собственной индуктивности, образовавшейся при коротком замыкании. На телевизионном приемнике могут возникать необычные эффекты: исчезновение цвета на одном канале при сохранении его на других, или только некоторые из подключенных к общей антенне приемников начинают принимать более слабый сигнал, чем остальные. Обрыв в коаксиальном кабеле может также вызвать странные результаты: потерю четкости или паразитное изображение, плохой прием или отсутствие сигнала. Помните, что предусилитель может только усилить сигнал, принятый антенной. Он не может расширить диапазон или усилить сигнал, поступающий к антенне.

Неаккуратная установка распределительной сети может привести к плохому приему, паразитному изображению или потере четкости изображения. Некоторые проблемы возникают потому, что на конце цепи не установлен нагрузочный резистор, кабель защемлен скобами крепления, делает резкие изгибы, что создает несоответствия импеданса и вызывает слабые или плохие соединения.

Когда исправный телевизор дает изображение с помехой типа «снег», причина должна заключаться в слабом сигнале. Для хорошего, чистого, контрастного приема обычно необходим сигнал 0 дБмВ, что соответствует 1000 мкВ. Обычная проблема большинства систем заключается в том, что к антенне подключены слишком много телевизионных приемников без достаточного усиления сигнала. Каждый телевизор ослабляет сигнал. Кроме того, если распределительный кабель слишком длинный, сигнал также ослабеет. Например, 30-метровый коаксиальный кабель вызывает потерю около 6 дБ на канале 14. Это соответствует приблизительно двукратному ослаблению сигнала 1000 мкВ, необходимого для хорошего изображения.

Обслуживая или устанавливая антенную систему, важно вычислить мощность сигнала для использования наиболее подходящего усилителя. Для обеспечения должного уровня сигнала при проектировании системы необходимо также учитывать возможные потери.

В областях, где возникает нежелательный шум при приеме, попробуйте использовать фильтр для ослабления ненужных частот. В регионах с очень сильными сигналами ЧМ может помочь заграждающий фильтр. При необходимости, специалист по поиску неисправностей может соединить несколько заграждающих фильтров в виде нескольких каскадов.

Главной угрозой для антенн являются молнии, которые часто попадают в антенну, вызывая множество проблем: обрыв линии передачи, предусилителе, разветвителе и других компонентах. Обычно предусилитель, который расположен в корпусе антенны, снабжен защитным диодом, который уменьшает риск наиболее серьезных проблем. Молниезащита и заземленные стержни также могут уменьшить вероятность возникновения более серьезных неисправностей.

Профилактическое техническое обслуживание

Идеальная программа профилактического технического обслуживания должна состоять из периодической проверки всей распределительной системы, распределительных коробок и приборов. Для регистрации всех неисправностей необходимо вести журнал учета.

Прежде всего обращайте внимание на устройства управления с повышенным уровнем шума и настраивайте их. Грязные, липкие, влажные линии, устройства управления двигателем, распределительные коробки следует периодически чистить. Регулярно проверяйте напряжение в линии. Значения этого параметра не должны отличаться от заданных более чем на 10 %.

В жаркие летние дни, когда могут возникать проблемы, связанные с низким напряжением. Подразделение, занимающееся техническим обслуживанием должно попытаться отключить все менее важные осветительные приборы, двигатели и другое оборудование. Низкое напряжение заставляет двигатели потреблять больше тока, что в свою очередь приводит к выделению большего тепла. В результате это разрушает кабели, двигатели и другое оборудование.

Необходимо регулярно проверять температуру окружающей среды около данного устройства. Аномально высокие показатели вызывают поломки и могут стать косвенной причиной пожаров, поскольку жара увеличивает ток и вызывает пробои изоляции. В то же время мороз может вызвать образование трещин.

Полупроводники очень чувствительны к изменениям температуры вне пределов допустимых величин. Неблагоприятная погода может разрушить диоды, транзисторы, тиристоры и другие полупроводниковые устройства. Убедитесь, что они снабжены адекватным охлаждением и не подвергаются чрезмерному воздействию тепла.

Следует избегать работы приборов при несоответствующих физических или механических условиях без крайней необходимости, поскольку это создает реальную опасность для оператора, а также может стать причиной преждевременного выхода оборудования из строя. Найдите способы уменьшения или устранения вибрации, механического перемещения, воздействия внешних материалов и загрязнения.

Вопросы для самоконтроля

Выберите наилучший ответ:

1. В настоящее время в жилых домах используются распределительные коробки, обеспечивающие ток как минимум:

а) 30 А;

б) 60 А;

в) 100 А;

г) 150 А;

д) 200 А.

2. Нейтральный общий провод обычно ___ имеет цвет и подключается к ___

а) красный, трубе холодного водоснабжения;

б) белый, к размыкателю цепи или плавкому предохранителю;

в) черный, к размыкателю цепи или плавкому предохранителю;

г) белый, трубе холодного водоснабжения;

д) красный, к размыкателю цепи или плавкому предохранителю.

3. Провод № 8 обычно используется для:

а) 15 А;

б) 20 А;

в) 30 А;

г) 40 А;

д) 60 А.

4. Другое название тонкостенной металлической трубки для проводов:

а) неметаллический кабель;

б) гибкий металлический кабель;

в) трубка;

г) армированный кабель;

д) ничего из перечисленного.

5. Другое название гибкого стального кабеля:

а) трубка

б) тонкостенная металлическая трубка;

в) синтетический кабель;

г) неметаллический кабель;

д) ничего из перечисленного.

6. Переключатель на 4 направления позволяет руководить работой лампы из ___ мест:

а) 1;

б) 2;

в) 3;

г) 4;

д) 5.

7. Коэффициент мощности индуктивной реактивной схемы можно увеличить за счет добавления:

а) конденсаторов;

б) индукторов;

в) катушек индуктивности;

г) плавких предохранителей;

д) ничего из перечисленного.

8. Устройство для протягивания провода через трубку называется:

а) проволочные клещи;

б) скоба;

в) разъем;

г) проволока для протаскивания электропроводов через трубы;

д) ничего из перечисленного.

9. Наилучший способ проверки сопротивления изоляции заключается в использовании:

а) вольтметра;

б) омметра;

в) амперметра;

г) мегомметра;

д) всех перечисленных приборов.

10. Для уменьшения уровня сигнала в пунктах с очень сильным сигналом используется:

а) разделитель;

б) усилитель;

в) ответвитель;

г) новая антенна;

д) аттенюатор.

11. Какая из следующих ламп использует пускатель:

а) лампа с предварительным нагревом;

б) лампа быстрого запуска;

в) лампа мгновенного запуска;

г) все перечисленные.

12. Какая из следующих ламп требует определенного периода времени для охлаждения перед повторным запуском:

а) лампа накаливания;

б) флуоресцентная;

в) ртутная газонаполненная;

г) никакая из перечисленных.

13. Устройство для ослабления специальных сигналов это:

а) промежуточный ответвитель;

б) линейный ответвитель;

в) разветвитель;

г) заграждающий фильтр.

14. Провод с экраном это:

а) плоский двухпроводный;

б) двухпроводный с пенным наполнителем;

в) коаксиальный;

г) все перечисленные.

15. Какой из следующих проводов имеет импеданс 75 Ом:

а) плоский двухпроводный;

б) двухпроводный с пенным наполнителем;

в) коаксиальный;

г) никакой из перечисленных.

16. Прибор для предотвращения отражения сигнала в линию передачи называется:

а) заграждающий фильтр;

б) линейный ответвитель;

в) предусилитель;

г) нагрузочный резистор.

17. Причина размытого изображения и паразитного изображения заключается в:

а) обрыв в линии передачи;

б) неправильно расположенная антенна;

в) одновременный прием прямого и отраженного сигналов;

г) все перечисленные.

18. Предусилитель обычно устанавливается:

а) на телевизионном приемнике;

б) на антенне;

в) на чердаке или стене;

г) ничего из перечисленного.

19. Прибор для увеличения уровня сигнала называется:

а) линейный промежуточный ответвитель;

б) усилитель;

в) аттенюатор;

г) заграждающий фильтр.

20. Максимальная емкость для схемы общего назначения составляет около:

а) 1500 Вт;

б) 1800 Вт.

в) 2400 Вт,

г) 2800 Вт.

Вопросы и проблемы

1. Расскажите о типах кабеля, которые обычно используются в проводке бытового и промышленного назначения.

2. Расскажите о действии переключателей на три и четыре направления.

3. Расскажите о приборах для заземления и его применении.

4. Каковы различия напряжений между трансформаторными системами энергоснабжения с соединениями звездой и треугольником?

5. Объясните функции программируемого устройства защиты двигателя.

6. Перечислите недостатки прерывателя замыкания на землю.

7. Расскажите о методах, используемых при поиске неисправностей электропроводки.

8. Укажите причины, по которым на экране телевизора может иметь место помеха типа снег.

9. Расскажите о воздействии температуры на работу приборов.

10. Расскажите о процедурах технического обслуживания, которые следует выполнять при работе в сфере производства.

11. Объясните, как на экране телевизора образуется двойное изображение.

12. Что можно сделать для ослабления сильного сигнала FM?

13. Расскажите о стандартных неисправностях антенн и кабельной сети.

14. Какова разница между коаксиальным кабелем и двухпроводным кабелем?

15. Сколько микровольт требуется для качественной, чистой картинки на экране телевизора?

16. Опишите, что может случиться, если в коаксиальном кабеле возникает короткое замыкание.

17. Каковы возможные последствия обрыва в коаксиальном кабеле?

18. Объясните разницу между линейным и промежуточным ответвителем.

19. Что такое аттенюатор?

20. Какова цель использования разветвителя?

21. Расскажите о преимуществах использования коаксиального кабеля

22. Расскажите о разнице между стандартным плоским двухпроводным кабелем и трубчатым двухпроводным кабелем с пенным наполнителем.

23. Что такое децибел?

24. Какова разница между усилителем и предусилителем?

25. Для чего используются нагрузочные резисторы?

Глава 6

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ РАДИО- И ТЕЛЕВИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ

Радиоприемник представляет собой электронный прибор, который принимает электромагнитные сигналы из окружающего пространства, усиливает их, выделяет необходимую часть и воспроизводит звук. Приемник должен соответствовать типу модуляции передатчика: амплитудная модуляция (АМ), частотная модуляция (ЧМ), с разделением каналов, стерео и т. д.

Телевизионная аппаратура является отдельной областью приемопередающей электроники, в которой применяются сложные технологии. Передача и прием изображений — это настоящий подвиг, если говорить о черно-белом телевидении, и просто чудо, если говорить о цветном. В этой главе мы рассмотрим некоторые принципы сервисного обслуживания радио и телевизионных приемников.

Основные сведения об амплитудной модуляции

То, что мы привыкли называть радиоволнами, представляет собой колебание электромагнитной энергии. Эти волны распространяются со скоростью 300 миллионов метров в секунду, причем каждая имеет определенную длину. Чем меньше частота, тем длиннее волна, чем выше частота, тем короче волна. Колебания воздуха имеют частоту в пределах 20 Гц до 20 кГц, их могут слышать большинство людей. Волны с большей частотой недоступны для человеческого слуха. Однако ультразвуковые колебания могут излучать и воспринимать некоторые животные.

Поскольку физический размер антенны пропорционален длине волны, использование этого устройства для приема и передачи электромагнитных колебаний в звуковом диапазоне может быть непрактичным. Поэтому высокочастотная волна, выработанная генератором, смешивается с низкочастотной звуковой волной. При этом образуется модулированная волна, которая используется для транспортировки информации от передатчика к приемнику. На рис. 6.1 показан принцип амплитудной модуляции, при котором информация, то есть сигнал низкой звуковой частоты, изменяет амплитуду сигнала-носителя. Амплитудно-модулированная волна представляет собой комбинированный сигнал носителя, а также верхней и нижней боковой полосы частот.

Рис. 6.1. Две волны, которые образуют модулированную волну радиочастоты

Большинство схем AM являются супергетеродинными приемниками благодаря наличию внутреннего генератора (гетеродина) и каскада смесителя (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Блок-схема приемника AM

Антенна принимает сигналы многих частот в заданном диапазоне. Входной избирательный контур, который состоит из переменного конденсатора и катушки, выделяет нужную частоту и передает сигнал этой частоты в смеситель.

В каскаде смесителя входные сигналы радиочастоты смешиваются с сигналом генератора (гетеродина) с постоянной амплитудой, который имеет частоту (обычно) на 465 кГц (это обычная промежуточная частота) выше, чем входной сигнал. С выхода смесителя комбинация этих сигналов проходит через колебательный контур, настроенный на 465 кГц.

Предположим, что входной контур настроен на прием сигнала 1000 кГц и промежуточная частота равна 465 кГц. При этом гетеродин автоматически настраивается на величину 1465 кГц, в результате чего образуется промежуточная частота 465 кГц, представляющая собой разность между входной частотой 1000 и 1465 кГц. Имейте в виду, что, хотя частота 465 встречается наиболее часто в диапазонах длинных (ДВ) и средних (СВ) волн, многие приемники имеют другие промежуточные частоты. Следующая стадия обработки сигнала — один или несколько (до трех) каскадов усиления промежуточной частоты. Каждый каскад усиления промежуточной частоты может содержать фильтр, настроенный на соответствующую промежуточную частоту для улучшения избирательности.

Функция детектора заключается в отделении звуковых колебаний, несущих полезную информацию, от несущей промежуточной частоты. Он делает это в два этана. Сначала происходит детектирование смешанного сигнала, при этом сначала выпрямляется верхняя положительная полуволна AM сигнала. Затем промежуточная частота отфильтровывается на землю через шунтирующий конденсатор, и далее проходит только низкочастотный звуковой сигнал. Схема автоматической регулировки усиления (АРУ) благодаря наличию обратной связи с использованием части выходного сигнала и воздействия на коэффициент усиления ВЧ каскадов, поддерживает относительное постоянство сигнала, то есть громкость звука на выходе приемника.

Звуковой сигнал от детектора поступает на усилитель звуковой частоты. Здесь звуковой сигнал достигает мощности, достаточной для приведения в действие динамик.

Основные сведения о частотной модуляции

Технология передачи с использованием частотной модуляции (ЧМ) начинается с несущей волны радиочастоты и волны звуковой частоты, называемой модулирующим сигналом. Когда несущая радиочастота модулируется звуковым сигналом, частота несущей радиоволны изменяется вместе с амплитудой модулирующего сигнала (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Принцип частотной модуляции — звуковая волна смешивается с несущей волной, создавая изменения частоты

Блок-схема приемника ЧМ показана на рис. 6.4. Антенна принимает сигналы ЧМ в пределах своего диапазона частот, а входной избирательный контур выбирает конкретный диапазон частот. Усилитель высокой частоты делает прием сигнала ЧМ более уверенным. Местный генератор (гетеродин) вырабатывает радиочастотный сигнал постоянной амплитуды, который смешивается с сигналом ЧМ, образуя промежуточную частоту. Каскады промежуточной частоты обычно настроены на 465 кГц. Один или более каскадов промежуточной частоты пропускают и усиливают сигнал промежуточной частоты.

Рис. 6.4. Блок-схема приемника ЧМ

Детектор ЧМ отличается от детектора AM. Детектор ЧМ должен выделить модулирующую низкочастотную составляющую промежуточной частоты. Затем выделенный звуковой сигнал подается через схему компенсации предыскажений. Эта схема восстанавливает амплитудно-частотную характеристику сигнала. В передатчике высокие частоты звукового сигнала еще больше усиливаются — это называется предыскажением — для улучшения отношения сигнал/шум при передаче. Поэтому в приемнике необходимо проделать обратную процедуру.

После коррекции предыскажений звуковой сигнал усиливается каскадом усиления низкой частоты для подачи на динамик. Обратите внимание на наличие каскада автоматической регулировки частоты (АРЧ), который поддерживает правильную настройку гетеродина приемника.

Некоторые части схемы AM могут быть использованы в приемнике ЧМ. На рис. 6.5 показана блок-схема комбинации приемника AM и ЧМ. Когда вы переключаетесь с AM на ЧМ, одновременно включаются все схемы, предназначенные только для этого режима работы.

Рис. 6.5. Блок-схема приемника АМ/ЧМ

Основные сведения о частотном разделении каналов

Когда вы слушаете стереорадиостанцию ЧМ, то через два динамика идут два совершенно отдельных звуковых канала (рис. 6.6). На радиостанции стереоразделение начинается с двух отдельных микрофонов для приема звуковых сигналов. Сигналы обозначены L (левый) и R (правый), в соответствии с положением микрофонов. Сигналы L и R подаются на стереокодер, который формирует два выходных сигнала. Один сигнал представляет собой сумму (L + R), а другой — разность (L — R).

Рис. 6.6. Компоненты сигнала с разделением каналов

Выход L — R представляет собой поднесущую частоту 38 кГц с амплитудной модуляцией, которая образует боковые полосы частот выше и ниже 38 кГц. Поднесущая 38 кГц затем подавляется после модуляции, оставляя только боковые полосы. Боковые полосы L — R подаются затем на передатчик ЧМ. Передатчик ЧМ частотно модулируется выходом L + R и L — R и подавленной несущей 19 кГц. На рис. 6.7 изображена блок-схема стереопередатчика ЧМ. Обратите внимание на стереокодер.

Рис. 6.7. Бок-схема стереопередатчика ЧМ

Анализ частотного спектра несущей модулированного стереосигнала с разделением каналов показан на рис. 6.8. Обратите внимание, что нижняя часть частотного спектра содержит сигнал L + R дня монофонических приемников (от 30 Гц до 15 кГц). Боковые полосы частот L — R с подавленной несущей (23–53 кГц) занимают верхнюю часть.

Рис. 6.8. Спектр частот стерео ЧМ

Рис. 6.9. Блок схема обработки боковых полос и матрицы демодуляции

Подавленная несущая 19 кГц также передается как часть комплексного сигнала для синхронизации и восстановления частоты 38 кГц в приемнике при демодуляции. Цель подавленной несущей заключается в уменьшении энергии в комплексном стереосигнале для оптимального отношения сигнал/шум. сигнал в частоту 38 кГц. Выходной сигнал 38 кГц представляет собой точную копию подавленной несущей частоты с двумя боковыми полосами.

При пропускании сигнала L — R и сигнала 38 кГЦ через нелинейную схему демодулятора AM получаются суммы и разности сигналов, один из которых представляет собой сигнал L — R (в диапазоне от 30 ГЦ до 15 кГЦ), выделенный низкочастотным фильтром. Сигналы L — R и L + R подаются на стереодекодер и обрабатываются, как показано на рис. 6.10.

Рис. 6.10. Блок-схема матрицы

Обратите внимание, что один канал складывает L + R и L — R и дает в результате сигнал L. Сигнал L — R проходит через фазовый инвертор, который изменяет знак L — R на — L + R. Сигналы L + R и — L + R складываются, формируя сигнал R. Сигналы R и L подаются на соответствующие усилители и затем на динамики.

Другой метод демодуляции заключается в электронном переключении (рис. 6.11).

Рис. 6.11. Блок-схема демодуляции с помощью электронного ключа и сигнал ЧМ

Поступающий от детектора сигнал проходит через схему восстановления поднесущей частоты и затем подается на электронный переключатель. На рисунке также показан сигнал, который подается на переключатель, который переключает положительные и отрицательные полуволны комплексного звукового сигнала и демодулирует стереосигнал. Комплексный звуковой сигнал включает сигнал L + R, L — R и подавленную несущую 19 кГц (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Схема стереодекодера с электронным переключением

Подавленная несущая 19 кГц усиливается и подается на удвоитель частоты (CR1 и CR2), что позволяет регенерировать поднесущую 38 кГц. Сигнал поднесущей затем смешивается со звуковым сигналом для восстановления комплексного стереосигнала. Мостовая переключающая схема, состоящая из CR3, CR4, CR5, CR6, управляется за счет смены полярности полуволн напряжения поднесшей 38 кГц; при этом два плеча моста проводят по очереди. Таким образом, положительная и отрицательная составляющая комплексного стереосигнала квантуется частотой 38 кГц и на выходах моста присутствуют демодулированиые сигналы L и R.

Магнитофоны, проигрыватели компакт-дисков (CD), стереопроигрыватели и другое звуковое оборудование требуют одного или более усилителей для увеличения сигнала таким образом, чтобы его можно было слышать в динамике (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Двухтактный усилитель

Транзистор Q1 служит предварительным фазоразделительным каскадом для двухтактного усилителя. Конденсатор С1 — разделительный, препятствующий прохождению постоянной составляющей сигнала и передающий сигнал от каскада предусиления на фазоразделительный транзистор.

Конденсатор С2 и резистор R1 представляют собой эмиттерную RC-цепь, которая обеспечивает режим смещения транзистора по постоянному и переменному току. Трансформатор Т1 разделяет на 180° фазу сигналов, управляющих Q1 и Q3. Транзисторы двухтактного каскада усиливают сигнал по очереди, каждый свою полуволну, которые затем складываются на выходе. Конденсаторы С4 и С5 передают часть сигнала с коллектора назад на базу транзистора. Эта отрицательная обратная связь предотвращает переход транзисторов в колебательный режим и уменьшает искажения. Трансформатор Т2 согласовывает импеданс Q2 и Q3 с динамиком. Конденсаторы С3 и С6 представляют собой емкостные фильтры для развязки каждого каскада от паразитных и нежелательных сигналов в линии питания.

Другой, бестрансформаторный тип двухтактного усилителя мощности, с комплементарной (или квазикомплементарной) парой транзисторов в выходном каскаде — наиболее популярный тип усилителя (рис. 6.14).

Рис. 6.14. Схема усилителя с квазикомплементарной парой выходных транзисторов

Верхняя пара n-р-n-транзисторов Q2, открыта, когда сигнал на выходе Q1 положительный, нижняя пара р-n-р транзисторов Q3 и Q5, открыта при отрицательном сигнале. Обе полуволны выделяются на нагрузке RL, обеспечивая двухтактную работу.

Более старое оборудование содержит схемы на дискретных транзисторах, как показано на этих рисунках. В современном оборудовании усилитель низкой частоты часто находится в одной интегральной микросхеме или залитом компаундом модуле. Поиск неисправностей в этих модулях заключается в проверке наличия питания на модуль и подаче на входы нужного сигнала. Если при этом нет выходного сигнала, модуль необходимо заменить. До сих пор выпускаются некоторые современные устройства, использующие дискретные транзисторные усилители для мощных выходных каскадов.

Основные сведения о телевизионных передатчиках и приемниках

Телевизионный передатчик фактически состоит из двух отдельных передатчиков. Видеосигнал, или сигнал изображения, амплитудно-модулирован несущей, а звуковой передатчик представляет собой систему ЧМ, очень похожую на систему радиовещания ЧМ. Поэтому передаваемый комплексный сигнал — это комбинация обоих принципов AM и ЧМ. Упрощенная блок-схема системы телевизионной передачи и приема показана на рис. 6.15.

Рис. 6.15. Упрощенная схема телевизионной передачи

Телекамера действует как первичный преобразователь, который превращает световую энергию в электрическую, а трубка для вывода изображения (электронно-лучевая трубка — ЭЛТ) представляет собой преобразователь электрической энергии в свет. Микрофон и динамик являются соответствующими преобразователями для системы звука.

В телевизионной камере узкий электронный луч перемещается горизонтально по светочувствительной поверхности, вырабатывая пропорциональное свету напряжение. Так образуется строка развертки. Электронный луч проходит линию за линией 625 раз в секунду.

Телевизионный приемник должен иметь средства синхронизации полученных камерой сигналов. Поэтому передаваемый сигнал несет и синхроимпульсы.

Телевизор в действительности воспроизводит последовательность точек, которые выдаются с постоянно изменяющейся интенсивностью и скоростью. Наблюдатель видит эту последовательность как картинку на экране. Электронная пушка излучает поток электронов, направляемый электромагнитной системой и проходит слева направо и сверху вниз. Специальное фосфорное покрытие экрана светится при попадании на него электронов.

В телевидении используется чересстрочная развертка с наложением, при которой сканирование начинается в верхнем левом углу, проходит нечетные линии слева направо и завершает 312 линий (рис. 6.16).

Рис. 6.16. Пример чересстрочной развертки

Луч возвращается с нижней части экрана назад в центр самой верхней части и завершает сканирование четных линий. Каждый набор четных или нечетных линий образует поле, а оба вместе образуют кадр. Поэтому в кадре 625 линий при частоте 25 кадров в секунду.

Каждый раз, когда сканирующий луч перемещается слева направо, он должен вернуться назад. Это называется обратным ходом строки. Когда сканирующий луч достигает нижней точки экрана, он должен быстро вернуться на верхнюю часть экрана. Это называется обратным ходом по кадру. В это время экран черный. Только во время сканирования видно изображение. Генератор развертки по вертикали с частотой 50 Гц отклоняет сканирующий луч вверх. Генератор горизонтальной развертки с частотой 15 625 Гц отклоняет сканирующий луч слева направо по экрану.

Каждый раз, когда сканирующий луч завершает строку, вырабатывается импульс с большой амплитудой, который синхронизирует каждую переданную линию с телевизионным приемником (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Упрощенный вид видеосигнала, показывающий гасящие импульсы и импульсы горизонтальной развертки

Сигнал от антенны усиливается в каскаде высокой частоты, смешивается с заданной частотой генератора и передается на каскады промежуточной частоты 45,75 МГц, где он усиливается. Затем видеодетектор демодулирует сигнал и посылает звуковую составляющую часть сигнала на низкочастотные каскады, а видеосигнал на каскады обработки сигнала изображения. Выделяемый из видеосигнала звуковой сигнал ЧМ усиливается в УПЧ, демодулируется детектором ЧМ, после которого сигнал НЧ усиливается в УНЧ и подается на динамики.

Видеосигнал в это время усиливается видеоусилителем и подастся на управляющую сетку трубки (рис. 6.18).

Рис. 6.18. Блок-схема черно-белого телевизионного приемника

Автоматическое управление усилением поддерживает постоянный уровень сигнала. Схема выделения сигналов синхронизации выбирает импульсы синхронизации по вертикали и горизонтали и подает их на схемы интегрирования и дифференцирования. Интегрирующая схема формирует импульсы синхронизации по вертикали в виде серии импульсов пилообразного напряжения и подает их на генератор вертикального отклонения. Усилитель вертикального отклонения управляет током вертикальной отклоняющей катушки и обеспечивает вертикальную развертку. Дифференцирующая схема формирует импульсы синхронизации по горизонтали и подает их на генератор горизонтальной развертки и схему автоматической подстройки частоты. Импульсы горизонтальной развертки выделяются схемой автоматической регулировки частоты (АРЧ). Они усиливаются и используются для управления горизонтальной отклоняющей катушкой, которая обеспечивает развертку по горизонтали.

Высокое напряжение, необходимое для работы электронной трубки, поступает от усилителя по горизонтали. Это напряжение повышается примерно до 30 кВ или более с помощью строчного трансформатора. Напряжение выпрямляется высоковольтным выпрямителем и подается на анод трубки. Демпфером служит диод, помещенный в цепи выброса обратного напряжения от катушки. Функция демпфера заключается в предотвращении выброса более одного раза.

Описание схемы современных телевизионных приемников различается в зависимости от производителя. Большинство используют микропроцессор, который взаимодействует со средствами управления и видеопроцессором. Многие видеопроцессоры содержат набор следующих функций:

♦ промежуточная звуковая и видеочастота;

♦ управление источником питания;

♦ схема выделения сигналов синхронизации;

♦ смесители и усилители узлов цвета.

В большинство телеприемников схемы горизонтальной и вертикальной развертки запускаются импульсом от видеопроцессора. Другие секции телевизора используют интегральные микросхемы (ИМС), в том числе: источники питания, формирователи видеовыхода, звуковые системы, схемы высокого напряжения, селектор каналов. В дополнение к обычным функциям, цифровые телевизоры с высоким разрешением содержат сложные системы, которые обеспечивают более высокое качество изображения. Технология плазменных дисплеев также дает прекрасное качество изображения в телевизорах как обычных, так и с высокой четкостью.

Сервисное обслуживание радиоаппаратуры

При поиске неисправностей радио- и звукового оборудования используется несколько методов. Например, работая с супергетеродинным приемником, начните с осмотра и прослушивания. Поищите очевидные признаки поломки. Если приемник гудит, наиболее вероятно, что у него неисправен фильтрующий конденсатор в цепи питания. Проверьте неработающий компонент, шунтировав его заведомо исправным такой же величины, или с помощью набора конденсаторов, как показано на рис. 6.19. Если гул исчезнет, замените фильтр.

Рис. 6.19. Использование блока замены для шунтирования конденсатора

Когда устройство не подает признаков жизни, проверьте включатель омметр ром, предварительно отсоединив устройство от сети питания. Используйте омметр также для проверки плавкого предохранителя, диода источника питания, термистора и обмотки дросселя фильтра. Любой из этих компонентов мог вызвать обрыв в цепи (рис. 6.20).

Рис. 6.20. Простой источник питания

Если радио- или стереоустройство некоторое время работает, а затем выключается и через некоторое время снова начинает работать, проверьте наличие температурно-нестабильных компонентов. Используя фен для обдува горячим и холодным воздухом, аккуратно нагрейте подозрительный транзистор или ИМС. Когда дефектный компонент нагреется, приемник перестанет работать или его сигнал будет очень искажен. Теперь охладите транзистор воздухом или химическим охладителем. Приемник должен снова начать нормально работать. Обнаружив температурно-нестабильный транзистор, замените его аналогичным.

В том случае, когда питание приемника включается, но звука нет, сначала попробуйте локализовать неисправный каскад. Для этого можно использовать подачу сигналов, как показано на рис. 6.21.

Рис. 6.21. Пример подачи сигналов

Сначала подключите генератор низких частот или генератор шума к каждому каскаду приемника, соединив землю прибора с шасси приемника. Начните с подачи сигнала около 400 Гц на динамик. При этом должен быть слышен тональный сигнал. Это значит, что динамик работает. Перейдите к каскаду усилителя. Подайте сигнал на базу его транзистора. Перейдите к следующему каскаду по направлению к детектору, когда услышите тоновый сигнал. Подавая сигнала в детектор или в антенну, используйте сигнал высокой частоты. Если при этом тоновый сигнал не слышен, можно сделать вывод, что именно этот каскад вышел из строя. В этом случае проверьте сопротивление каждого компонента, чтобы выявить неисправный.

Если неисправность возникла в каскаде двухтактного усилителя НЧ с квазикомплементарной парой транзисторов на выходе, то проблема обычно заключается в выходном и/или транзисторах буферных каскадов Q2-Q5. Для проверки схемы протестируйте сопротивление между землей и точкой J, и между +Vcc и точкой J без питания (см. рис. 6.14).

Соедините отрицательный вывод с землей, а положительный вывод вольтметра — с точкой J. Запишите результат измерений. Затем поменяйте местами выводы вольтметра. Величина сопротивления во втором случае должна быть значительно меньше, чем в первом. Короткое замыкание означает, что транзистор Q3 и/или Q5 закорочен.

Повторите описанную выше процедуру, но на этот раз проверьте сопротивление между +Vcc и точкой J. Меньшее напряжение здесь будет в том случае, когда положительный вывод подключен к точке +Vcc. Короткое замыкание означает, что Q2 и/или Q4 неисправен. Теперь закоротите RX2. Включите усилитель. Напряжение в точке J должно быть Vcc/2. Если результат измерений находится в диапазоне 25 % больше или меньше этой величины, попробуйте различные величины RB1 или RX1 для достижения лучшего показателя. Иногда RX2 заменяют диодом для улучшения стабильности смещения при переменной температуре. Кроме того, если в вашем звуковом оборудовании есть диоды, проверьте их на короткое замыкание и обрыв.

Проверьте напряжение на Q3. Если она равно +Vcc, это означает, что Q4 закорочен. Аналогично, если напряжение на Q2 равно +Vcc, это означает, что закорочен Q5.

Измерение напряжения может быть очень эффективным способом для локализации проблемы. Например, если источник питания перегружен из-за закороченного компонента, он будет потреблять большой ток. Чрезмерный ток приводит к снижению напряжения.

У вас есть подозрение, что стабилитрон закорочен (рис. 6.22)? Отключите один из выводов от схемы. Если напряжение вернется к нормальному уровню, то диод закорочен и его следует заменить.

Рис. 6.22. Отсоединение одного вывода стабилитрона для определения его влияния на схему

Приемник скрипит, воет или издает другие подобные звуки — это означает, что в одном из каскадов возникла обратная связь. Проверьте соединения фильтрующих конденсаторов и батарей. Наиболее вероятная причина — неисправный конденсатор.

Прерывистая работа может быть связана не только с транзисторами. Причиной этого могут стать, например, плохие паяные соединения и слабые контакты. Для локализации подобной неисправности скрутите провода и приклейте их к той стороне печатной платы, где находятся дорожки. Иногда, может быть, необходимо заново перепаять некоторые соединения, чтобы найти неисправность. Перед выполнением повторной пайки обязательно выключайте питание. В противном случае тепло от паяльника может привести к тому, что транзистор начнет потреблять больше тока и разрушится. При пайке соединений диодов и транзисторов обязательно используйте теплоотвод.

Если приемник сжигает плавкие предохранители, выключите питание и начните измерения сопротивления. Имейте в виду, что если вы предполагаете короткое замыкание конденсатора, не шунтируйте его, а замените. Проверьте диоды выпрямителя на короткое замыкание, пользуясь омметром и спецификациями изготовителя. Сверьте результаты измерений со спецификациями и ищите закороченную цепь. Короткое замыкание имеет сопротивление 0 или около 0, как показано на рис. 6.23.

Рис. 6.23. Измерение сопротивления коллектора транзистора с помощью омметра

Для локализации неисправного каскада воспользуйтесь осциллографом, который позволяет специалисту увидеть реальную форму сигнала и определить частотные характеристики: коэффициент усиления, смещение фаз, уровень шума, сетевые помехи.

Стандартной причиной недостаточной громкости, регулировки тембра и искажений в магнитофоне являются грязные головки. Прочистите их изопропиловым спиртом или специальным средством. Нанеся специальную жидкость на кусочек ваты, прочистите также вал и ролик лентопротяжного механизма.

Магнитофоны

После очистки головки обычно проводится ее размагничивание. Используйте специальное устройство, которое устраняет любой нежелательный магнетизм в головке. Нежелательное явление может исказить звук, особенно на высоких частотах. При использовании устройства размагничивания несколько раз проведите им возле головки и затем медленно удалите его.

Если магнитофонная лента не протягивается или протяжка неравномерная, проверьте двигатель и механизм привода. Ищите грязные или поврежденные ролики, валы, пассики, муфты.

Часто пассик растягивается, и его необходимо заменить точно таким же типом, поскольку для ремня размер, ширина и диаметр являются критичными. Кроме того, если звук магнитофона неровный (колеблющийся), а новый ремень не решает проблемы, наиболее вероятной причиной является неисправный двигатель или несбалансированный или искривленный маховик. При необходимости замените неисправную деталь.

Если неправильно работает выключатель, проверьте натяжение пружины и рычага. Учитывайте и возможность дефектной ленты. Слабый или искаженный звук при воспроизведении, возможно, свидетельствует о загрязненной головке.

Проигрыватели лазерных дисков

Проигрыватели лазерных дисков (компакт дисков) сейчас стали стандартом для прослушивания музыки и видеовоспроизведения. Основное преимущество лазерного диска заключается в том, что информация на нем записана в цифровом виде. Это означает, что напряжение сигнала, поступающего от микрофона или видеокамеры, квантуется с регулярными интервалами, и амплитуда сигнала в этот момент сохраняется в виде двоичного кода. Эти цифровые коды записываются с помощью прожигания лазерным лучом углублений на поверхности диска. Схема, необходимая для воспроизведения звука или изображения цифровой информации, очень сложна. Полупроводниковый лазер направляет луч на поверхность вращающегося диска и регистрирует отражение. Если луч падает на ямку, то отражения не происходит. Схема регистрирует эти различия в отраженном сигнале. Комбинация отражающих и не отражающих точек используется для представления чисел, последовательность этих чисел представляет исходный звуковой или видеосигнал. Цифровой сигнал обрабатывается схемой проигрывателя и позволяет минимизировать шум и искажения при воспроизведении, обеспечивая сигнал, очень близкий к исходному аналоговому входному сигналу.

Схема, которая управляет скоростью вращения шпинделя, работой каретки звукоснимателя и обработкой звукового сигнала проигрывателя компакт-дисков, ремонту, в общем, не подлежит. Если она неисправна, то ее следует заменить. Рекомендуется проверить устройства, обеспечивающие вход и выход проигрывателя: переключатели, датчики, двигатели.

Во многих отношениях компоненты проигрывателя лазерных дисков похожи на механические компоненты проигрывателей компакт-дисков и магнитофонов. Типичные проблемы в механических частях: загрузочный механизм, механизм подъема мотора шпинделя, сборка рычага, датчик угла наклона, двигатель наклона, распределительный механизм, передача привода, другие концевые выключатели, рычаги, скобы.

Например, если диск не загружается, проверьте, не связано ли это с загрузочным механизмом или триггерным переключателем. Некачественное воспроизведение может быть результатом неверно выставленного или неисправного датчика наклона, каретки звукоснимателя, вала, привода или неисправности в схеме. Проверьте наличие грязи или пыли на линзе. Очистите линзы и окружающие их компоненты, используя тампон из ваты и изопропиловый спирт. Мягко протрите линзы по спирали от центра к внешним краям. Не пользуйтесь другими спиртами, это может повредить линзы.

Основным способом проверки стереодекодера является измерение разницы между вырабатываемыми им сигналами R и L в децибелах (рис. 6.24).

Рис. 6.24. Схема тестирования стереодекодера

Генератор стереосигналов с разделением каналов вырабатывает сигналы L и R, которые одинаковы, но смещены по фазе. Поэтому, когда сигнал R поступает на стереодекодер, выходной сигнал канала R должен быть максимален, а выходной сигнал канала L теоретически равен 0.

С другой стороны, когда на стереодекодер поступает сигнал L, должен быть максимальным выход канала L, а выход канала R должен быть теоретически равен 0. На практике при правильной работе стереодекодера должна наблюдаться разница в 20–30 дБ между сигналами. Если достигается разность в 10 дБ, это означает, что стереодекодер, возможно, неисправен или близок к этому.

Неадекватное разделение обычно вызывается неисправностью компонентов в самом стереодекодере: несогласованными диодами, диодами с недостаточным прямым или обратным смещением в переключающем мосту, током утечки коллектора в транзисторе, закороченным или оборванным конденсатором. Некачественное разделение сигналов может быть также связано с неправильной настройкой, особенно в матрице. Ознакомьтесь с соответствующими руководствами по настройке и разделению каналов высокочастотных сигналов приемника.

Искажение выходного сигнала может быть связано с неисправным диодом или использованием резистора, имеющего неправильное сопротивление, в переключательном мосту. Неисправный электролитический конденсатор в схеме восстановления поднесущей может вызвать искажения выходного сигнала (гул).

Если в левом канале возникли искажения сигнала, а в правом нет, сравните напряжение, сопротивление и форму сигнала и попытайтесь локализовать неисправный компонент.

Например, если Q15 на рис. 6.25 имеет напряжение коллектора 7,38 В, этот транзистор не работает и может быть неисправен. Кроме того, если напряжение в этой точке упадет до 4 В. можно подозревать, что транзистор закорочен.

Рис. 6.25. Номиналы компонентов и рабочие напряжения типичной стерео системы

Когда выходной сигнал запускающего транзистора Q15 имеет низкий уровень, можно предполагать, что неисправен развязывающий конденсатор эмиттера. Проверьте это. шунтируя его другим конденсатором такой же величины. Если изменилась величина сопротивления одного из резисторов, изменится и смещение транзистора, что в свою очередь влияет на выходной сигнал.

Резисторы можно протестировать, измерив величину сопротивления вне схемы. Если резисторы не находятся в пределах допуска, то их следует заменить. Однако, извлечение транзисторов из схемы для проверки достаточно трудоемкая задача, и обычно резистор не меняет своей величины, если он не перегревался вследствие чрезмерного тока. В таком случае он часто выглядит поврежденным или плата вокруг него кажется потемневшей или обугленной.

Если на усилитель не поступают сигналы, можно предполагать, что произошел обрыв в разделительном конденсаторе. Трансформатор Т2, который действует как разделитель, может полностью отключить канал, если он закорочен.

Часто закороченный трансформатор обуглен, и это можно легко узнать по запаху. Используя омметр, следует выяснить сопротивление каждой половины вторичной обмотки. Оно должно составлять 16,3 Ом. Закороченная катушка имеет сопротивление, близкое к 0. Если в канале высокие искажения или низкая громкость, можно подозревать неисправность Q21 и/или Q22. Даже если только один из этих транзисторов неисправен, замените оба аналогичной парой. Для хорошего воспроизведения сигнала эти транзисторы должны иметь одинаковые параметры.

Помните, что заменяя мощные транзисторы, необходимо всегда использовать теплоотвод и изолирующие слюдяные прокладки. При необходимости нанесите также теплопроводящую пасту, как показано на рис. 6.26.

Рис. 6.26. Пример правильной установки выходного транзистора

В любом случае радиоприемник следует обслуживать в мастерской и правильно подключать к соответствующему источнику питания с хорошим фильтром. Автомобильный радиоприемник подключайте к источнику 12 В постоянного тока и не меньше, поскольку электрическая система автомобиля обычно работает при напряжениях между 12 и 13 В. Помните о необходимости аккуратно располагать провода.

При обслуживании приемника никогда не отключайте динамики, это позволит выявить звуковые эффекты.

На рис. 6.27 показан типичный трехкаскадный усилитель, который обычно используется в радиоприемниках. Если Q3 потребляет чрезмерный ток, это заставит Q1 работать с большей нагрузкой. Напряжение коллектора Q1 уменьшится, поскольку Q1 потребляет больший ток. Поскольку напряжение коллектора Q1 снижается, это в свою очередь вызовет уменьшение проводимости Q2 и Q3. Вместе эта схема будет давать слабый выходной сигнал и большие искажения. Замена выходного транзистора Q3 решит проблему.

Рис. 6.27. Типичный трехкаскадный усилитель

Сервисное обслуживание черно-белого телевизора

Телевизоры и мониторы компьютеров имеют очень сходную конструкцию. Поскольку каждый каскад телевизионного приемника и монитора выполняет соответствующую функцию, по определенным симптомам можно легко диагностировать неисправность. Качество видео- и звукового сигнала можно использовать для определения неисправности каскада. Вам понадобится вольтметр, осциллограф или оба прибора, а иногда и другое специализированное оборудование для тестирования телевизионных устройств. Напряжения и сигналы в критических точках проверяются по схемам изготовителей.

Когда необходимо проверить много каскадов, используйте метод половинного разделения. Проверьте сигнал посередине, между исправным каскадом и выходом. Если результат правильный, двигайтесь вперед к следующему каскаду, который расположен посередине между прежней тестовой точкой и выходом. Однако, если первый тест дает неверный сигнал, вы можете использовать метод разделения пополам в другом направлении до тех пор, пока неисправный каскад не будет обнаружен. Этот прием позволяет минимизировать число измерений.

Бледное изображение и слабый звук

Возможная причина слабого звука и изображения — некачественный входной сигнал. Повинна в этом может быть также система антенн, соединения кабеля компьютера или телевизора. Например, в составе системы антенн может иметь место неисправная антенна, слабые контакты, некачественные кабельные соединения, неверно направленная антенна.

Проверьте правильность поступающего сигнала с помощью измерителя уровня сигнала или замены другим телеприемником. Если система антенн исправна, проблема может быть связана с переключателем телеканалов. В старых механических переключателях выбор каналов осуществляется изменением частот генератора за счет вращения катушки. Нужно проверить правильность расположения катушки. Обычно вы не можете почти ничего сделать для исправления таких селекторов каналов на месте.

Чтобы убедиться в отсутствии сигнала вращайте регуляторы контрастности и яркости. Если селектор каналов работает нормально, проблема может быть в схеме промежуточной частоты, видеодекодере или схеме автоматической регулировки усиления. Все эти каскады одинаковы для каналов звука и изображения, поэтому проблемы могут быть связаны с неисправным транзистором, изменением величины сопротивления или низким напряжением питания.

На рис. 6.28 показана старая схема усилителя промежуточной частоты (УПЧ) на биполярных транзисторах.

Рис. 6.28. Типичная схема усилителя промежуточной частоты

УПЧ состоит из трех каскадов промежуточной частоты, контура выделения звуковых частот и детектора, а также видеодетектора, заграждающих фильтров для устранения несущих сигналов соседних каналов. Тестируя телевизионный приемник, проверьте сначала схему, а затем, как показано, напряжения постоянного тока и сигналы.

Например, если обнаружено аномальное напряжение коллектор-эмиттер, это показывает, что или неисправный компонент находится в схеме коллектора или изменилась проводимость транзистора по току.

Если выяснится, что транзистор и цепь коллектора исправны, значит, имело место изменение напряжения смещения перехода база-эмиттер, что может быть результатом изменения величины сопротивления резистора или утечки конденсаторов в схеме базы или эмиттера.

Обратите внимание, что схема автоматической регулировки усиления управляет смещением первого каскада промежуточной частоты. Если схему АРУ неисправна, она может уменьшить коэффициент усиления каскадов промежуточной частоты и стать причиной бледного изображения.

Хорошее изображение, слабый звук

Если изображение хорошее, а звук слабый и искаженный, причина может находиться в усилителе звуковой промежуточной частоты, детекторе ЧМ, усилителе, громкоговорителе. Детектор ЧМ является наиболее вероятным источником проблемы.

Сначала проверьте правильность напряжения и формы сигнала детектора ЧМ. Если параметры соответствуют спецификациям изготовителя, значит, проблема заключается в динамике или усилителе. Простой способ тестирования звукового каскада требует увеличения громкости и проверки наличия шума. Когда шум при увеличении громкости также возрастает, это значит, что выход усилителя и динамик работают. В таком случае ищите проблему в предыдущем каскаде или детекторе ЧМ, а также в усилителе звуковой промежуточной частоты.

Бледное изображение при нормальном звуке

Изображение бледное, но сопровождается нормальным звуком и ярким экраном — каскадами, которые могли повлиять на изображение, являются система антенн, усилитель высокой частоты, конвертор, генератор, усилитель промежуточной частоты, видеодетектор, система автоматической регулировки усиления и. что наиболее вероятно, видеоусилитель. Проблема может заключаться в уменьшении напряжения от источника. Другой возможной причиной является видеодетектор, который представляет собой диод CRA55 на выходе усилителя промежуточной частоты, как показано на рис. 6.28.

Отсутствие изображения при нормальном звуке

На экране телевизионного приемника нет изображения, а только чистый растр — значит, дефект находится в каскадах до выделения звука. Однако возможно, что неисправность возникла в схеме видеоусилителя. Если на экране нет помех типа «снег»», проблема, скорее всего в видеодетекторе или каскаде усилителя промежуточной частоты. В противном случае из строя, вероятно, вышел усилитель высокой частоты в селекторе каналов или неисправна система антенна/кабель (рис. 6.29).

Рис. 6.29. Телевизионный приемник с помехами типа «снег»

Для того чтобы определить, находится ли поломка в селекторе каналов или системе антенна/кабель, просто возьмите исправный телевизор. Если помехи исчезнут, значит, проблема в тюнере. Если нет, то проблема в антенне или линии передачи. Часто к изображению с помехой типа «снег» приводит неисправный усилитель высокой частоты. Многие более старые переключатели каналов содержат серебряные контакты, которые со временем окисляются и загрязняются. Если периодическое изменение положения ручки настройки тюнера приводит к подергиванию изображения, то следует очистить контакты тюнера специальным средством. Снимите крышку тюнера и нанесите аэрозольное средство на контакты, повернув селектор пять раз в одном направлении и пять раз в другом направлении.

Более новые устройства содержат модули, которые состоят из многих секций. Часто заменяется весь модуль. В отличие от старых вращающихся тюнеров, модули с кнопочным управление в случае загрязнения, изношенности, неисправности следует заменять.

Не исключайте возможность неисправности в кабелях. Проверьте кабель на короткое замыкание и обрыв, если у вас есть сомнения в его качестве, замените компонент при необходимости.

Звук нормальный, но нет растрового изображения

Если нет растрового изображения, это означает, что в секции питания высокого напряжения возникла неполадка. Могут быть проблемы в каскаде отклонения по горизонтали, например, в строчном трансформаторе или демпфере. Проверьте высокое напряжение соответствующим пробником, чтобы определить, есть ли оно на аноде электронно-лучевой трубки. Будьте осторожны, поскольку может возникнуть опасная дуга.

Проблема может быть в трубке. Но если напряжение постоянного тока недостаточное, проверьте напряжение переменного тока от строчного трансформатора. Более новые схемы могут иметь на этом каскаде только напряжение постоянного тока. Сравните положительные и отрицательные напряжения постоянного тока в схеме со значениями, указанными в руководстве по обслуживанию. Появление дуги голубого цвета показывает напряжение переменного тока. Напряжения постоянного тока приводят к возникновению дуги белого цвета. Если на строчном трансформаторе появляется дута, это значит, что неисправен выпрямитель высокого напряжения. В противном случае, это может означать неисправный строчный трансформатор или схему горизонтального отклонения луча.

Другая возможная причина отсутствия растрового изображения заключается в неисправном селекторе каналов или каскаде промежуточной частоты. При этом передаются только сигналы черного, экран остается темным.

Трубка для вывода изображения, как и любая другая электронно-лучевая трубка, работает по принципу термоэлектронной эмиссии. Слабая эмиссия приводит к расфокусированию трубки и образованию оттенка серебряного цвета. Для того чтобы простым способом выявить слабую эмиссию, увеличьте яркость изображения регулятором. Если картинка становится серебристой и несфокусированной по сравнению с выключенной яркостью, можно считать, что трубка испорчена или постепенно выходит из строя. При отсутствии высокого напряжения проблема заключается в выпрямителе высокого напряжения, демпфере, схеме отклонения по горизонтали или генераторе строчной развертки.

Найдите генератор строчной развертки, схему отклонения по горизонтали, трансформатор строчной развертки, демпферный диод (рис. 6.30).

Рис. 6.30. Типичная схема системы стройной развертки

Перед проверкой высоковольтного выпрямителя или трансформатора строчной развертки необходимо разрядить трубку. Используя провод с зажимом типа «крокодил», подключите один вывод к шасси, а другой — к жалу отвертки. Анод представляет собой проводник под изолирующей прокладкой из похожего на резину материала. Изолируйте выпрямитель или трансформатор и проверьте на обрыв. Проверьте состояние выпрямителя, или просто используйте диод для замены. Протестируйте сопротивление строчного трансформатора с помощью омметра. Помните, что для получения высокого напряжения генератор строчной развертки должен работать, проверьте выход генератора.

Категорически не следует превышать необходимый уровень высокого напряжения, иначе может возникнуть нежелательное рентгеновское излучение. Хотя для защиты от рентгеновских лучей часто используются размагничивающие экраны и другие устройства, утечки, тем не менее, могут возникать. Проверяйте высокое напряжение точным прибором. Некоторые специалисты проводят тесты, изменяя положение регулятора яркости между максимальным и минимальным значением. Таким образом можно убедиться, что не превышается величина максимального напряжения и схема правильно отрегулирована.

Звук нормальный, но нет синхронизации изображения

О том, что потеряна горизонтальная синхронизация, обычно называемая сбоем строк, свидетельствуют широкие наклонные полосы на экране (рис. 6.31).

Проверьте управление отклонением по горизонтали и убедитесь, что оно правильно настроено. Если это так, проблема заключается в генераторе строчной развертки. Когда он перестает работать, то импульсы запуска на горизонтальный выход или на катушку отклоняющей системы не поступают.

Рис. 6.31. Сбой по горизонтали

Звук нормальный, но имеет место сбой строк и уменьшенная ширина изображения

Когда имеет место сбой изображения или поперек экрана проходят широкие наклонные полосы, или изображение перемещается по вертикали, сначала проверьте правильную установку регуляторов по вертикали и горизонтали. Другая возможная причина заключается в неисправности схемы выделения сигналов синхронизации или в каскаде усилителя синхросигналов.

Возможно, что неполадки возникли в системах строчной и вертикальной развертки (рис. 6.32). Она состоит из генератора развертки по вертикали, схемы запуска, выходного каскада вертикальной развертки, связанного с отклоняющей системой.

Рис. 6.32. Типичная схема системы вертикальной развертки

Звук нормальный, но изображение смещается по вертикали и складывается, высота изображения уменьшена

Если изображение перемещается в вертикальном направлении, вероятная причина заключается в неисправности генератора вертикальной развертки (рис. 6.33).

Рис. 6.33. Другие неисправности, связанные с системой вертикальной развертки

Когда генератор прекращает вырабатывать сигналы, то не будет вертикальной развертки, и все, что можно увидеть на экране, это яркая горизонтальная линия. Проблема заключается в слабом выходном сигнале вертикальной развертки, если высота картинки уменьшилась,

Кроме того, можно предположить еще несколько вариантов причин неисправности: изменение смещения генератора или выходного каскада, низкое напряжение постоянного тока, короткое замыкание или обрыв в компоненте (см. рис. 6.32). Если наблюдается хотя бы частичная картинка, то генератор и выходной транзистор вряд ли закорочены.

Однако, если на экране видна только одна горизонтальная линия, тогда можно предполагать короткое замыкание генератора или выходного транзистора. В этом случае вероятной причиной является неисправный компонент, возможно С306, С308, или R310. Например, если закорочен С306, тогда прерывается процесс формирования пилообразного сигнала и изменяется смещение Q302, что уменьшает усиление и генерацию.

В том случае когда в С306 обрыв, картинка «складывается» с белой полосой и сжатыми строками в нижней части экрана. Один из способов проверки этого компонента заключается в шунтировании конденсатора С306 исправным (или с помощью блока замены конденсаторов) при включенном телеприемнике. Если восстанавливается нормальное изображение, то проблему можно считать локализованной. Проверка напряжения коллектора Q302 в этой схема покажет низкое напряжение, поскольку конденсатор С306 оборван и не подает на коллектор необходимый заряд.

Если изображение имеет уменьшенный размер по вертикали, а также трапециевидные искажения, вероятная причина заключается в неисправной схеме отклонения или в схеме коррекции подушкообразных искажений (для цветного телевизора). Обратите внимание: проблема здесь не в генераторе вертикальной развертки или выходном каскаде.

Для того чтобы определить, что является причиной перемещения изображения но вертикали и сбоя по горизонтали: генератор или система синхронизации, можно выполнить простой тест.

Если картинка появляется при изменении положения регулятора генератора, но не удерживается, то проблема в схеме синхронизации. Неисправный диод в схеме автоматической регулировки частоты (АРЧ) часто вызывает сбой изображения по горизонтали. Обратитесь к рис. 6.30, где показан пример диодов АРЧ в схеме строчной развертки. Если в схеме произошел обрыв С5, то напряжение по горизонтали снижается, это уменьшает ширину изображения (см. рис. 6.30).

Когда транзистор генератора строчной развертки или резистор 3,3 кОм закорочен, то напряжение не будет подаваться на схемы горизонтальной развертки. В новых моделях телевизоров можно заменит!» целиком модуль или плату.

Недостаточное отклонение по вертикали может быть следствием неисправного генератора, выходного транзистора или ИМС. Обрыв развязывающего конденсатора или резистора эмиттера может стать причиной недостаточного усиления, что приведет к уменьшению высоты картинки. Имейте в виду, что трапециевидные искажения обычно вызваны неисправностью в отклоняющей системе, а не в схеме развертки по вертикали. Их можно устранить, слегка ослабив отклоняющую катушку и направив ее в нужном направлении.

Не затягивайте слишком сильно отклоняющую катушку, вы можете легко повредить шейку трубки.

Нормальное изображение, слабый звук

Если изображение нормальное, но нет звука, проверьте усилитель промежуточной частоты, детектор ЧМ и каскады усилителя низкой частоты, может быть также неисправна катушка динамика.

Слабый звук предполагает неправильную регулировку или уход частоты гетеродина из-за изменения параметров компонентов. Поскольку в этот процесс вовлечены многие каскады, для локализации неисправного используйте метод поиска с половинным разделением. Ищите неисправный транзистор, ИМС или модуль в секции обработки звука. Изменение параметров компонентов или неисправный кабель в каскадах обработки звукового сигнала могут повлиять на коэффициент усиления усилителя. Искажение звука может быть вызвано неисправностью согласующего конденсатора между каскадами.

Телевизор не подает признаков жизни

Как и в случае с радио, если телевизор совсем не работает, проверьте источник питания. К числуу возможных причин неполадок относятся: сгоревший плавкий предохранитель, блокиратор включения при снятом кожухе, обрыв шнура питания, обрыв или короткое замыкание в кабеле, неисправный компонент: выключатель питания, трансформатор, диод или выпрямитель, термистор, модуль ИМС источника питания.

Сервисное обслуживание цветного телевизора

На студии сцена, которая предназначена для демонстрации на телевидении, снимается тремя отдельными камерами, каждая их которых воспринимает только один из трех первичных цветов (красный, синий или зеленый). В дополнение к основным цветам могут формироваться дополнительные: желтый, оранжевый, бирюзовый, пурпурный. Различные комбинации дадут любой цвет, воспринимаемый человеческим глазом. Оттенки и варианты сами являются отдельным цветом. Насыщенные цвета яркие и сильные. Недостаток насыщения выражается в бледном слабом цвете. Цветность определяет комбинацию оттенка и насыщения. Яркость определяет воспринимаемую яркость изображения.

Три камеры сканируют сцену одновременно. Первичные цвета — красный, синий и зеленый — подаются на видеокодер передатчика, который формирует сигнал Y, или яркость, и цветность, или сигналы I и Q. Сигнал Y содержит соответствующие пропорции красного, синего и зеленого, и он может воссоздать нормальный черно-белый сигнал, который используется для модуляции несущей. Сигналы цветности I и Q используются для модуляции поднесущей цвета 3,58 МГц, которая подавляется в процессе модуляции. Комплексный сигнал содержит: несущую, Y (или яркость), сигналы цветности (I и Q) а также сигнал аудио ЧМ.

Если сигнал принимается черно-белым (монохромным) приемником, выделяется и обрабатывается только сигнал Y. Сигналы цветности I и Q не могут быть приняты и обработаны, поскольку у приемника нет генератора 3,58 МГц, необходимого для восстановления сигналов I и Q.

Блок-схема узла телевизионного приемника, связанная с воспроизведением цветного изображения, показана на рис. 6.34. Сигнал цвета поступает от видеоусилителя на усилитель цветности, где сигнал усиливается. Обратите внимание, что после усиления видеосигнала сигнал Y доступен сразу после задержки 1 мкс, так что сигнал Y и сигналы I и Q поступают на ЭЛТ в одно время. Обработка сигналов I и Q требует около 1 мкс дополнительного времени.

Рис. 6.34. Блок-схема секции воспроизведения цветного изображения телевизора

После усиления цветового сигнала, он передастся на полосовой усилитель 2–4,2 МГц, который отделяет информацию сигналов I и Q от информации сигнала Y, после чего она передастся на детектор I и детектор Q. На вход этих детекторов поступает сигнал 3,58 МГц от кварцевого генератора, который управляет работой детектора. Имейте в виду, что сигнал генератора 3,58 МГц смещается по фазе на 90° на передатчике для разделения различных сигналов.

После выделения сигналов I и Q, они передаются на соответствующие низкочастотные фильтры и обрабатываются фазовым инвертором для положительных и отрицательных цветовых сигналов, которые формируются следующим образом:

♦ зеленый = — I — Q + Y;

♦ синий = — I + Q + Y;

♦ красный = I + Q + Y.

Сигналы I, Q, Y складываются в схемах сумматоров цвета, где номиналы резисторов обеспечивают надлежащую пропорцию каждого сигнала. Каждый цветовой сигнал затем передается на соответствующую сетку ЭЛТ для управления интенсивностью луча. В каждой схеме сумматора установлен подстроечный резистор, который позволяет изменять содержание каждой составляющей по отношению к другим составляющим.

Кварцевый генератор поднесущей недостаточно точен для обеспечения правильного выделения цветовых сигналов. Поэтому при передаче цветового сигнала его образец помещается на задней площадке гасящего импульса, как показано на рис. 6.35.

Рис. 6.35. Гасящий импульс строчной развертки с задней площадкой

Усилитель сигнала цветовой синхронизации получает часть сигнала и посылает его на фазовый детектор. Фазовый детектор сравнивает сигнал 3.58 МГц с сигналом цветовой синхронизации. Если сигналы совпадают, сигнал постоянного тока посылается на модулятор на реактивном сопротивлении, который устанавливает точную синхронизацию сигналов.

Фазовый детектор посылает также сигнал выключения канала цветности. Задача этого сигнала заключается в предотвращении появления какого-либо цветового сигнала при работе в монохромном режиме. Пока выполняется такой режим, поступает сигнал выключения канала цветности, затем этот сигнал выключается. Когда нет сигнала цветовой синхронизации, как это имеет место при монохромном вещании, фазовый детектор посылает сигнал постоянного тока, который отключает полосовой усилитель.

Корректное воспроизведение цвета требует неискаженных сигналов цветности и яркости. Любые дефекты, которые искажают черно-белое изображение, будут влиять и на цветное изображение. Общая локализация проблем с цветом может быть выполнена в терминах растрового изображения и качества монохромного изображения. Хорошее растровое изображение показывает нормальные напряжения постоянного тока, качественная монохромная картинка является признаком нормального сигнала Y и соответствующего напряжения постоянного тока на трубке.

Отсутствие цвета

Если нет цвета, ищите неисправную ИМС или модуль в каскадах обработки сигналов I и Q. Может быть неправильно настроена или неисправна регулировка сигнала выключения канала цветности.

Может быть также неисправен полосовой усилитель. Проверьте наличие сигнала 3,58 МГц и сигнала цветовой синхронизации на генераторе и поднесущей частоты.

Слабый или тусклый цвет

Отбое или выцветшее изображение может возникать в результате неправильно настроенного экрана и схемы запуска, а также смещения на трубке. Частично вышедший из строя транзистор или ИМС в каскадах обработки сигналов I и Q, или дефекты в полосовом усилителе могут также стать причиной этой неисправности. Возможно недостаточно точно настроены селектор каналов и каскады промежуточной частоты, что также может вызвать указанную неисправность. Проверьте наличие сигнала 3,58 МГц и сигнала цветовой синхронизации на генераторе и усилителе поднесущей.

Доминирующий цвет на экране

Если на экране доминирует синий цвет, возможная причина может заключаться в неправильно настроенных схемах усилителя зеленого и красного цветов, или некорректных установках регуляторах экрана.

Когда доминирует красный цвет, следует искать неправильные настройки в каналах обработки синего и зеленого. Возможно также, что неисправна трубка.

Если некоторые цвета более яркие, чем другие, обычно проблема заключается в неправильно настроенном экране или схемах управления цветом.

Сигнал выключения канала цветности

Сигнал выключения канал цветности отключает усилитель цветности во время черно-белой передачи. Неисправность схемы генерации этого сигнала вызывает цветовой шум, который называется «конфетти», он похож на помехи типа «снег», но с более крупными цветовыми пятнами. В этом случае следует проверить настройку или схему генерации сигнала отключения цветности.

Цветные полосы

Другой типичной проблемой цветных телевизоров является присутствие полос на изображении. Обычно причиной возникновения этой проблемы являются реактивный транзистор, схема автоматической подстройки частоты или неисправная схема синхронизации. Многие из этих схем находятся в интегральной микросхеме, которая называется цветовым процессором, поэтому следует заменить эту микросхему или весь модуль.

Другие проблемы цвета

Картинка, которая имеет черно-белый оттенок, говорит о нарушении чистоты цвета или что трубка нуждается в размагничивании. Большинство телевизоров и мониторов имеют автоматическое размагничивание. Однако, если оттенки цвета меняются при изменении положения изображения, проверьте настройки чистоты цвета.

Если цвета неправильно выделены, проверьте сведение.

Плохая фокусировка говорит о неисправности фокусного выпрямителя или схемы фокусировки. Сначала проверьте выпрямитель, затем остальные компоненты схемы. Может быть неисправен узел управляющей панели, кабель, штырьковые разъемы, блок развертки.

Если цвета размазаны, проверьте, не произошла ли потеря сигнала Y, или не возникла ли неисправность в системе видеоусиления.

Сведение лучей

Потребность в сведении лучей постепенно уменьшается, поскольку большинство современных приемников снабжены соответствующей схемой. Еще одно сведение лучей может быть необходимо, когда новая трубка устанавливается в телевизор. Стандартная процедура описана в руководстве по техническому обслуживанию. Обычно общее сведение лучей заключается в настройке правильного размера изображения, фокуса, линейности. Яркость также настраивается на определенном уровне. Обычно для этой процедуры используется генератор точек, полос и сетчатого поля.

Настройка чистоты цвета

Выключите пушки синего и зеленого сигналов и переместите отклоняющую катушку вперед. Настройте магниты чистоты так, чтобы красный луч сфокусировался точно в середине экрана. Теперь отведите катушку назад, чтобы растр стал полностью красным.

Статическое сведение

Включите зеленую пушку. Настройте магниты статического сведения красного и зеленого так, чтобы два луча слились в центре экрана и образовали желтую точку. Теперь включите синюю пушку и соедините три луча в центре экрана для формирования белого цвета.

Динамическое сведение

Настройте каждый динамический регулятор на сведение в верхней части, нижней части и на сторонах трубки. Прежде, чем вы завершите полное сведение, важно настроить картинку на наиболее качественное получение серой шкалы, которая обеспечивает оптимальный баланс черного и белого. Когда телевизор включен, а цвет выключен, настройте регуляторы красного, синего и зеленого для получения серого растрового изображения.

Последний шаг заключается в настройке регуляторов экрана. Установите переключатель в рабочее положение. При этом по центру экрана появится горизонтальная линия. Поверните регуляторы цвета по часовой стрелке, а затем медленно настройте каждый из них так, чтобы цвет был едва виден.

Если при работе телевизора сведение не сохраняется, причина может заключаться в неисправном выпрямителе сведения.

Техническое обслуживание телевизионных приемников последних моделей

Материал этой главы касается общей теории работы телевизора и ориентирует вас на поиск наиболее вероятных неисправностей в блоках. Большинство из приведенных схем относятся к более старым телевизионным приемникам.

В современных телевизорах меньше отдельных полупроводниковых компонентов. Целые секции телевизора: тюнер, усилители видеосигнала и промежуточной частоты, блоки развертки, выходные каскады звукового сигнала и др. выполняются в виде интегральных схем (рис. 6.36).

Рис. 6.36. Блок-схема компонентов телевизора ICX1200

Телеприемник, представленный на рисунке, содержит усилители промежуточной частоты, видеоусилители, видеодетектор, детектор аудио ЧМ, генератор вертикальной и строчной развертки, и все это в одной ИМС!

Это не означает, что ИМС — единственный компонент, который может быть неисправен. Каждая ИМС соединена со многими периферийными компонентами. Для управления всей системой используется также микропроцессор.

В течение более 50 лет SAMS Photofacts поставляет техническую документацию по бытовой электронике для профессиональных специалистов сервисного обслуживания и электронщиков-любителей, которые увлекаются ремонтом оборудования. Обратите внимание, как распределены различные функциональные схемы (рис. 6.37).

Рис. 6.37. Схема секции усиления промежуточной частоты и обработки видеосигналов и части секции развертки

Рис. 6.37. Схема секции усиления промежуточной частоты и обработки видеосигналов и части секции развертки

Указаны формы сигналов и уровни напряжения постоянного тока для всех критических точек схемы. Большинство слаботочных каскадов обработки сигналов выполнены в виде одной ИМС, а усиление мощности и буферизация сигналов между каскадами осуществляются схемами с использованием транзисторов. Обратите внимание, что выходной каскад вертикальной развертки выполнен в виде отдельной ИМС, а выходной каскад строчной развертки — в виде двухкаскадной схемы с использованием мощных транзисторов.

Сервисное обслуживание современного телевизора требует знаний о прохождении сигнала для прогнозирования, наиболее вероятного источника проблемы, внутри которого можно с помощью осциллографа попытаться найти точки с неправильной формой сигналов. Когда локализована проблемная область, измерения с помощью вольтметра постоянного тока часто позволяют определить неисправный компонент.

Распространенной проблемой при ремонте современных телевизоров является блок питания. Старые приемники снабжены простыми линейным источником питания с несколькими регулируемыми напряжениями, подаваемыми на различные секции телевизора. Новейшие модели используют схему источника питания постоянного тока для генерации нескольких первичных напряжений питания, которые используются для секции генератора строчной развертки. Полученные на генераторе колебания снимаются с вторичной обмотки строчного трансформатора и используются для генерации других напряжений схем телевизора (рис. 6.38).

Рис. 6.38. Источник питания телевизионного приемника

Обратите внимание на обмотки трансформатора ТХ3200 (выходной трансформатор строчной развертки) в нижнем левом углу. Он представляет проблему для специалиста при полностью неработающем телеприемнике. Для функционирования генератора источник питания должен быть в порядке, но и источнику питания для работы необходим генератор. Поиск неисправного компонента в такой замкнутой системе — нелегкая задача! Каждый телевизор имеет свои особенности, но обычно руководства по обслуживанию описывают процедуру локализации проблем источника питания.

Руководства по обслуживанию

Большинство руководств по обслуживанию представляют собой комбинацию схем и диаграмм прохождения сигналов. Эти диаграммы помогают быстро найти неисправные компоненты с помощью схем и контрольных точек. Например, при поиске неисправностей системы видеопроекции используется диаграмма, показанная на рис. 6.39.

Рис. 6.39. Блок-схема поиска

Начните с первого этапа диаграммы, проверив наличие напряжения 120 В переменного тока на контактах 1–3. Если напряжения нет, проверьте плавкий предохранитель. В противном случае протестируйте напряжение на контактах 6, 4, 3, 1. Выполните ремонтные процедуры, если потребуется, например, замените ИМС, кабели, платы ИМС или сборки, или исправьте плохие соединения.

Схемы и блок-схемы также являются обычным вспомогательным средством при поиске неисправностей (рис. 6.40).

Рис. 6.40. Типичные схема и блок-схема

Они помогают специалисту провести необходимые измерения в указанных точках. Такие схемы обычно сопровождаются диаграммой прохождения сигналов, чтобы специалист мог проследить логическую последовательность действий для локализации неисправности. Большинство компаний-изготовителей проводят тщательную техническую подготовку и выпускают сервисные руководства. которые являются важным вспомогательным средством при ремонте телевизоров и других электронных устройств.

Узлы селекторов каналов в большинстве современных телевизоров выполнены в виде ИМС обработки высокой частоты с цифровым или микропроцессорным управлением с периферийными компонентами, которые образуют цепи RLC для регулировки. Если обнаружено, что узел обработки высокой частоты неисправен, он в большинстве случаев не ремонтируется, а заменяется. Обычно он представляет собой отдельный модуль в защищенном корпусе. При неисправности микропроцессора его также следует заменить.

Эти телевизионные приемники все еще производятся таким способом, который допускает их ремонт. Телевизоры с использованием печатных плат являются стандартом в течение последних 30 лет. ИМС выполняются в корпусах с двумя рядами выводов, что позволяет заменять их, как это описано в главе 7.

Другие компоненты: конденсаторы, транзисторы, диоды, можно также легко заменить. Таким образом, телевизоры все еще относительно ремонтопригодны. В начале XXI в. цифровые технологии телевидения высокого разрешения сделают эти телеприемники устаревшими. Появились дисплеи, основанные на совершенно иных технологиях, которые заменяют ЭЛТ. Это означает, что больше не будет необходимости в сильных магнитных полях для отклонения луча. С уменьшением потребности в компонентах высокой мощности для управления работой дисплеев можно ожидать, что все большая часть схем будет выполняться в виде специализированных ИМС.

Компоненты для поверхностного монтажа

Ремонтируя компоненты, помните, что технология развивается. Например, в 1970-е годы многие шасси изготавливались со штампованными металлическими основаниями и выступами и затем выполнялись соединения комбинации ламп и транзисторов с помощью ручной пайки паяльниками мощностью 200 Вт.

В результате получались так называемые «гибридные» транзисторно-ламповые схемы. Полупроводниковые приборы вызвали необходимость применять паяльники 40 Вт, поскольку ИМС и компоненты очень близко располагаются на печатных платах. Многие современные схемы представляют собой миниатюрные устройства для поверхностного монтажа или чипы — крошечные блоки, которые припаиваются к модулям из металлической фольги. Эти приборы чрезвычайно хрупкие, их можно легко повредить при неверном движении или перегреве.

Резисторы и конденсаторы также миниатюризируются и часто изготавливаются с очень маленькими основаниями из пленки. Приборы для поверхностного монтажа, интегральные схемы, транзисторы, диоды и другие хрупкие компоненты требуют специальных теплочувствительных инструментов и оборудования. Необходимы паяльные станции с контролируемым нагревом 25 Вт с применением трубчатого припоя 0,3 мм.

При работе с приборами поверхностного монтажа и другими миниатюрными компонентами нужны крошечные микропинцеты, стоматологические иглы и ювелирные отвертки. Снимая такой прибор, захватите его пинцетом и аккуратно покачивайте его, нагревая припой на концах выводов. Когда контакты ослабнут, мягко отделите прибор. Не рекомендуется повторно использовать миниатюрный прибор, извлеченный из схемы. Аккуратно нагрейте выводы миниатюрной ИМС и поднимите ее, используя стоматологическую иглу. Аналогично, при замене компонентов, направляйте их пинцетом и осторожно припаивайте.

Профилактическое техническое обслуживание

Неисправности звукового оборудования могут очень часто быть непосредственно связаны с неправильным использованием. Стереоустройства не следует включать на полную громкость в или прослушивать записи в таком режиме в течение очень длительного времени. Нагревание может вызвать преждевременный выход из строя динамиков и выходных каскадов усилителя. Никогда не включайте стерео оборудование без динамиков или с непредусмотренным числом этих компонентов. Импеданс динамиков всегда должен быть согласован с импедансом выходных усилителей, иначе может произойти поломка прибора.

Периодически прочищайте и размагничивайте магнитофонные головки. Это не только предотвратит возникновение неисправностей, но и повысит удовольствие от прослушивания.

Телевизоры, так же, как и другие типы приемников, следует использовать аккуратно. Не злоупотребляйте переключением каналов. Сохраняйте правильную настройку органов управления и заменяйте Сломанные детали.

Периодическая чистка приемника может нередко предотвратить возникновение неисправности. Загрязненные схемы могут привести к увеличению тепла, усиливая износ компонентов. Кроме того, пыльная, грязная электронно-лучевая трубка может вызвать дуговой разряд высокого напряжения и недостаток яркости. Каждое шасси следует регулярно очищать струей сжатого воздуха или пылесосом.

Не допускайте перегрева телевизора или контакта с влагой. И тепло и влага могут разрушить компоненты схемы. Кроме того, сильная влажность воздуха (в подвалах и т. п.) может вызвать образование дугового разряда. Не устанавливайте телевизор вблизи нагревательных систем. Не накрывайте телевизор декоративными материалами, которые могут помешать нормальной вентиляции.

Помните о мерах предосторожности. Всегда устанавливайте на место щиты и экраны после проведения технического обслуживания. Не заменяйте полярную вилку на вилку без фиксированного положения контактов. Могут случаться сильные удары током. После пайки проверьте на наличие брызг припоя, холодную пайку или поврежденную изоляцию.

Проверяйте возможную утечку переменного тока на открытых металлических частях — корпусах приемников, ручках управления и т. д. Для этих целей можно использовать вольтметр переменного тока с резистором 1500 Ом х 10 Вт и шунтирующим конденсатором 0,15 мкФ х 150 В между металлической деталью и землей. Значения выше 0,75 В (или 0,5 мА переменного тока) говорят о потенциальной опасности и необходимости принятия мер.

Вопросы для самоконтроля

Выберите правильный ответ:

1. Звуковая частота находится в диапазоне:

а) 400-40 000Гц;

б) 20–20 000 Гц;

в) 100-10 000 Гц;

г) ничего из перечисленного.

2. Модулированная волна радиочастоты состоит из:

а) высокочастотная волна и несущая;

б) высокочастотная волна и радиоволна;

в) волна несущей частоты и высокочастотная волна;

г) ничего из перечисленного.

3. Какое из следующих устройств демодулирует модулированную радиоволну:

а) усилитель высокой частоты;

б) усилитель промежуточной частоты;

в) смеситель;

г) детектор.

4. В большинстве смесителей частота генератора составляет ___ частоты несущей входного сигнала:

а) меньше;

в) равна;

г) ничего из перечисленного.

5. Двухтактный усилитель требует:

а) разделитель со смещением фазы 180°;

б) инвертор со смещением фазы 90°;

в) оба: «а» и «б»;

г) ничего из перечисленного.

6. Стабилитрон, в котором предполагается короткое замыкание, можно проверить с помощью:

а) шунтирования;

б) отсоединения одного из выводов диода;

в) обхода диода;

г) ничего из перечисленного.

7. Какой каскад приемника используется для уменьшения затухания сигнала и поддержания постоянного уровня звука?

а) детектор

б) усилитель промежуточной частоты;

в) усилитель низкой частоты;

г) усилитель высокой частоты;

д) АРУ.

8. При приеме с разделением каналов монофонический приемник использует:

а) только подавленный сигнал 19 кГЦ;

б) только сигнал боковой полосы L — R;

в) только сигнал несущей L + R;

г) все перечисленные.

9. Гул в динамике чаще всего является следствием неисправного:

а) диода;

б) транзистора;

в) фильтра;

г) ничего из перечисленного.

10. Температурно-зависимые компоненты можно проверить с помощью:

а) нагревания и охлаждения;

б) постукивания;

в) шунтирования;

г) ничего из перечисленного.

11. При поиске неисправностей совершенно неработающего приемника следует проверить:

а) выключатель питания;

б) диоды источника питания;

в) плавкий предохранитель;

г) обрыв нити катода.

12. Для правильного разделения каналов разность должна составлять:

а) 5 дБ;

б) 10 дБ;

в) 20 дБ;

г) 40 дБ;

13. Грязную головку магнитофона следует очистить с помощью:

а) керосина;

б) травящего раствора;

в) изопропилового спирта;

г) любого из перечисленных.

14. Если один из транзисторов двухтактного усилителя неисправен, то следует:

а) заменить только его;

б) заменить оба;

в) «а» или «б»;

г) ничего из перечисленного.

15. Закороченный конденсатор можно проверить с помощью:

а) шунтирования

б) замены

в) обоими способами: «а» и «б»;

г) всеми указанными способами.

16. Неисправность, которая вызывает уменьшение громкости, недостаточный контроль высоких частот и искажения:

а) неисправный узел АРУ;

б) неисправный потенциометр управления громкостью;

в) грязная головка;

г) неисправный двигатель и привод.

17. Осциллограф является эффективным средством для локализации неисправных каскадов, поскольку он может показать:

а) форму сигнала;

б) частотную характеристику каскада;

в) шум в сигнале;

г) все перечисленное.

18. Если приемник издает скрипящие, воющие или другие подобные звуки, наиболее вероятной причиной является:

а) транзистор.

б) фильтрующий конденсатор;

в) разрядившаяся батарея питания;

г) резистор.

19. Когда вы проверяете сопротивление фазоинвертирующего усилителя:

а) между общей точкой и Vcc должно быть малое сопротивление;

б) между общей точкой и землей должно быть малое сопротивление;

в) измерения сопротивления в пп. «а» и «б» должны давать разные значения;

г) измерения сопротивления в пп. «а» и «б» должны давать одинаковые значения.

20. Когда вы используете омметр для идентификации короткого замыкания, омметр должен показывать:

а) 0;

б) бесконечность;

в) 100 кОм;

г) 1 МОм.

21. Если настройка сигнала приемника ЧМ нестабильна, возможной причиной является:

а) неисправная схема АРЧ;

б) неисправная схема генератора;

в) короткое замыкание или обрыв в компоненте АРЧ;

г) все перечисленные.

22. Какие из следующих каскадов являются общими для приемников AM и ЧМ?

а) входной контур, генератор, детектор, усилитель низкой частоты;

б) усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, усилитель низкой частоты;

в) генератор, усилитель высокой частоты, частотный дискриминатор, детектор;

г) тюнер, усилитель промежуточной частоты, детектор, усилитель низкой частоты.

23. Детектор AM выполняет две основные функции приемника:

а) усилителя и фильтра;

б) буфера и усилителя;

в) буфера и детектора;

г) выпрямителя и детектора.

24. Один набор из 262,5 строк представляет собой:

а) поле;

б) кадр;

в) цикл;

г) интерфейсный набор.

25. Общее количество 525 строк образуют:

а) поле;

б) кадр;

в) цикл;

г) интерфейсный набор.

26. Количество кадров в секунду составляет:

а) 20;

б) 30;

в) 60;

г) 120.

27. Генератор развертки по вертикали имеет частоту:

а) 20 Гц;

б) 30 Гц;

в) 60 Гц;

г) 120 Гц.

28. Генератор строчной развертки имеет частоту:

а) 60 Гц;

б) 15750 Гц;

в) 3,58 МГц;

г) 45,75 МГц;

29. Звуковой и видеосигнал разделяются:

а) каскадом промежуточной частоты;

б) видеодетектором;

в) видеоусилителем;

г) схемой выделения сигналов цветовой синхронизации.

30. Импульсы горизонтальной и вертикальной развертки разделяются:

а) схемой АРЧ;

б) секцией высокого напряжения;

в) схемой выделения сигнала синхронизации;

г) АРУ.

31. Если и звук и изображение слабые и искаженные, наиболее вероятной причиной является неисправность:

а) АРЧ;

б) тюнера;

в) секции обработки звука;

г) секции обработки сигнала изображения.

32. Отсутствие растрового изображения часто свидетельствует о:

а) отсутствии телевизионного сигнала;

б) отсутствии видеосигнала:

в) отсутствии АРУ;

г) отсутствии высокого напряжения.

33. Горизонтальная линия в средней части экрана является чаще всего признаком неисправности в:

а) селектора каналов;

б) секции вертикальной развертки;

в) секции строчной развертки;

г) секции обработки видеосигнала.

34. Медленно поднимающиеся светлые фоновые полосы в телевизоре возникают из-за неисправного:

а) выпрямителя;

б) трубки;

в) трансформатора высокого напряжения;

г) фильтра.

35. Серебристое, нефокусированное изображение является признаком неисправности:

а) выпрямителя;

б) трубки;

в) трансформатора высокого напряжения;

г) фильтра.

36. Перегруженное изображение можно во многих случаях исправить, отрегулировав:

а) генератор вертикальной развертки;

б) генератор строчной развертки;

в) АРУ;

г) схему выключения канала цветности.

37. Характеристику ярких, сильных цветов часто называют:

а) оттенок цвета;

б) яркость;

в) насыщенность;

г) цветность.

38. Воспринимаемая яркость называется:

а) оттенок цвета;

б) яркость;

в) насыщенность;

г) цветность.

39. Наведение всех трех цветовых прожекторов на одну точку называется:

а) демодуляция;

б) конфетти;

в) расфокусирование;

г) сведение лучей.

40. Цветные конфетти можно устранить, отрегулировав:

а) усилитель сигнала цветности;

б) детектор цвета;

в) схему выключения канала цветности:

г) генератор цвета.

41. Наличие цветных полос часто говорит о неисправности в схеме:

а) катушки;

б) строчной развертки;

в) схемы выделения сигналов синхронизации;

г) усилитель сигналов цветности.

42. Перед началом сведения лучей необходимо выполнить:

а) получение серой шкалы;

б) размагничивание;

в) установку экрана;

г) выравнивание.

43. При работе с телевизионными схемами следует использовать:

а) неполяризованную вилку;

б) генератор шума;

в) изолирующий трансформатор;

г) размагничивающую катушку.

Вопросы и проблемы

1. Опишите формирование и характеристики модулированной радиоволны.

2. Что такое кристаллический детектор?

3. Нарисуйте блок-схему супергегеродинного приемника.

4. Почему схема разделения требует двухтактного усилителя?

5. Расскажите о ремонте полностью неработающего радиоприемника.

6. Что может стать причиной появления в радиоприемнике скрипящих, воющих и других подобных звуков?

7. Как можно локализовать температурно-зависимый компонент в радиоприемнике?

8. Что такое устройство размагничивания головок и для чего оно используется?

9. Что такое стробоскоп?

10. Расскажите о процедуре корректировки медленно вращающегося опорного диска проигрывателя.

И. Расскажите о процедуре проверки стабилитрона, в котором предполагается короткое замыкание.

12. Расскажите, как чистить головку магнитофона.

13. Что такое генератор шума?

14. Перечислите некоторые типы оборудования шумоподавления.

15. Какая разница между методами шунтирования конденсатора и замены конденсатора?

16. Нарисуйте блок-схему черно-белого телевизора по памяти.

17. Расскажите об основных функциях каждой схемы черно-белого телевизора.

18. Расскажите об основных проблемах, связанных с источником питания телевизионного приемника.

19. Расскажите, что происходит с изображением на экране ЭЛТ при слабой эмиссии.

20. Как можно улучшить изображения при слабой эмиссии трубки?

21. Как может мастер по ремонту определить, вызвано ли перемещение изображения по вертикали проблемами в генераторе вертикальной развертки или синхронизации по вертикали?

22. Какой каскад телевизора наиболее вероятно неисправен при трапециевидных искажениях изображения?

23. Что такое конфетти?

24. Какие цвета являются признаком постоянного и переменного высокого напряжения.

25. Расскажите, как мастер по ремонту может определить, вызваны ли помехи типа снег тюнером или антенной.

26. Что означают термины оттенок, насыщенность, цветность и яркость?

27. Расскажите о назначении каждой секции цветного телевизора 28. Какую секцию телевизора следует проверить, если на изображении присутствуют цветные полосы?

29. Какая секция телевизора является наиболее вероятным источником проблем слабых цветов?

30. Какие предосторожности необходимо соблюдать при извлечении приборов поверхностного монтажа?

Глава 7

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

До сих пор, бóльшая часть материала была посвящена сервисному обслуживанию систем промышленного и бытового назначения и их компонентов — другими словами, аналоговых устройств. В настоящее время цифровые системы постепенно занимают место аналоговых.

Цифровые схемы во многих случаях имеют ряд преимуществ: большую надежность, отсутствие шума, легкость в построении интерфейсов с компьютерами. По сути, электронно-вычислительные машины представляют собой набор цифровых схем.

В настоящее время конструирование телевизионной и радиоаппаратуры, устройств бытового назначения и персональных компьютеров развивается в направлении почти исключительного использования цифровых схем. Те же самые процессы постепенно происходят в промышленных системах управления.

Эта глава рассматривает основы современной техники и методы сервисного обслуживания обычных цифровых схем.

Основные сведения

Логика — наука о правильном рассуждении. Мы используем ее каждый день, принимая решения и познавая мир вокруг. Многие из наших рассуждений можно представить в виде последовательности выражений: если — то. Рассмотрим, например, следующее утверждение:

Если у меня будет час времени, и дождя не будет, и газонокосилка заведется, то я постригу газон. Заметьте, что слово если сопровождается тремя условиями, каждое из которых может быть истинно или ложно. Союз и означает, что все условия должны быть выполнены (истинны), чтобы выполнилось выражение, следующее за то. Цифровая логика использует электронные схемы для комбинирования событий, которые могут быть представлены как истинные или ложные для получения конечного вывода — решения.

Двоичная система счисления

Цифровые системы требуют такого входа, который есть или истинный или ложный, да или. нет, включено или выключено. Следовательно, должен быть способ представить эти два условия в электронных схемах, которые используются для комбинации входных условий. Это выполняется за счет подачи определенного напряжения для представления уровня логической 1 и другого напряжения для представления уровня логического 0.

Например, во многих популярных схемах 5 В представляет логическую 1, а 0 В-логический 0. Поэтому уровень логической 1 часто называется высоким, а уровень логического 0 — низким. В некоторых системах 1 рассматривается как «истина», «да» или включено, а 0 представляет «ложь», «нет» или выключено. Это называется положительной логикой. В системе с отрицательной логикой 1 представляет «ложь», а 0 — истину.

Логические функции

Логика И

Во многих электронных системах для комбинирования входных сигналов и получения выходных должны быть приняты логические решения. Рассмотрим микроволновую печь. Логика, определяющая включение и выключение магнетрона (который вырабатывает микроволновую энергию), требует определенных входных сигналов, например:

♦ таймер должен быть включен (то есть, установлен не на 0);

♦ нажата кнопка Пуск.

Способ соединения схемы для обеспечения логики, реализующей данную функцию, показан на рис. 7.1.

Рис. 7.1. Переключение с использованием логического И

Эти два входа (переключателя) комбинируются функцией И, то есть для того чтобы выход был «истина», оба входа должны быть «истина».

На рис. 7.2 представлены функции И в виде логических символов, а также таблицу, которая укалывает, как комбинируются входные сигналы, она называется таблицей истинности.

Рис. 7.2. Схема логического И

На рис. 7.3 представлен упрощенный пример схемы логического И.

Рис. 7.3. Использование логического И в микроволновой печи

В большинстве микроволновых печей есть выключатель, представляющий собой кнопку без фиксации. Как может печь продолжать работать при установленном таймере и кнопке Пуск, которая была нажата, а затем отпущена? Очевидно, что этого не добиться с помощью только функции И. В современных микроволновых печах эта операция осуществляется при содействии микропроцессора. Мы рассмотрим эту тему в главе 9. Для учебных целей мы подробнее остановимся на том, как можно управлять микроволновой печью с помощью цифровых логических схем.

Логика ИЛИ

При применении кнопки в микроволновой печи можно сформулировать проблему следующим образом. Магнетрон должен быть включен, если:

♦ таймер установлен И нажимается кнопка Пуск;

♦ таймер установлен И магнетрон уже включен.

Обратите внимание, что пока выражение А или В истинно, выход должен быть «истина». Только если А и В «ложь», выход будет «ложь».

На рис. 7.4 приведены обозначение и таблица истинности для логической функции ИЛИ.

Рис. 7.4. Схема логического ИЛИ

На рис. 7.5 показана полная логическая схема управления микроволновой печью.

Рис. 7.5. Управляющая логика микроволновой печи

Логика НЕ

Третий базовый элемент цифровой логики — это функция, которая позволяет инвертировать логический сигнал или найти его дополнительную величину. Часто необходимо показать, что событие не случилось. В примере с микроволновой печью мы НЕ услышим звуковой сигнал, и дисплей не перейдет в режим часов до тех пор, пока не истечет предварительно установленное время работы.

На рис. 7.6 приводится символическое обозначение инвертора, таблица истинности и пример случая, когда таймер не включен.

Рис. 7.6. Инвертор

Обычный способ показать инверсию сигнала заключается в знаке «!» перед названием сигнала или чертой над названием сигнала. Это обозначение часто используется также для того, чтобы показать, что активный уровень сигнала низкий. Например, если вход схемы обозначен! RESET, это означает, что вход будет иметь низкий уровень при нажатии кнопки RESET. Инвертор может иметь только один вход и один выход.

Схемы И-НЕ и ИЛИ-НЕ

Схема И-НЕ — комбинация функции И, а также функции НЕ. Ее можно представлять как схему И с активным низким выходом, который имеет низкое значение только тогда, когда все входные сигналы высокие. На рис. 7.7 показано обозначение и таблицу истинности для двухвходовой схемы НЕ-И.

Рис. 7.7. Схема И-НЕ

Комбинация функции ИЛИ и функции НЕ-схема ИЛИ-HE. Она выполняет операцию логическое ИЛИ над двумя входными сигналами и затем инвертирует выходной сигнал. Выходной сигнал будет иметь низкий уровень, когда хотя бы один (или оба) из входных сигналов имеет высокий уровень. На рис. 7.8 показано обозначение и таблица истинности для двухвходовой схемы ИЛИ-НЕ.

Рис. 7.8. Схема ИЛИ-НЕ

При необходимости схемы могут выполнять операции с более чем двумя входами. Например, устройство управления микроволновой печи может иметь некоторые ограничения на работу — от замка двери и т. п. Другими словами, магнетрон не будет включаться до тех пор, пока не выполнены условия: таймер установлен, нажата кнопка пуска и дверь закрыта. Мы имеем здесь три переменных. с которыми выполняется операция И, что лучше всего можно реализовать с помощью схемы И с тремя входами. На рис. 7.9 показана схема И-НЕ, ее таблица истинности и способ применения ее в устройстве управления микроволновой печи.

Рис. 7.9. Схема И-НЕ с тремя входами

Исключающее ИЛИ

Последний тип логической функции — это Исключающее ИЛИ. Таблица истинности этой функции похожа на таблицу ИЛИ, но здесь два высоких входных сигнала дают низкий уровень на выходе, как показано на рис. 7.10. Эта схема может использоваться для сравнения уровней двух логических сигналов с целью определения, одинаковы ли они. Если выход 0, они одинаковы. Если выход 1, они разные.

Рис. 7.10. Схема Исключающее ИЛИ

Другой вариант использования функции Исключающее ИЛИ состоит в избирательном инвертировании или не инвертировании сигнала. Посмотрите на временную диаграмму на рис. 7.11.

Рис. 7.11. Временная диаграмма схемы Исключающее ИЛИ

Когда управляющий вход имеет низкий уровень, то выходной сигнал совпадает с входным. Если на управляющий вход подан высокий уровень, входной сигнал инвертируется. Когда сигнал является управляющим, как в этом примере, его помечают, чтобы показать, какой режим должна давать схема при высоком уровне управляющего сигнала и какой при низком. В этом примере название управляющего сигнала INVERT/BUFFER (инвертирование/буферизация). Это означает, что если сигнал на этой линии имеет высокий уровень, то входной сигнал инвертируется, если же этот сигнал имеет низкий уровень, то происходит простая передача (буферизация) сигнала.

Буфер представляет собой устройство, которое дает на выходе такой же логический уровень, как на входе, но при необходимости может обеспечивать дополнительный ток.

Серии цифровых логических приборов

Концепции построения цифровых устройств не новы. Множество несложных приборов построено сегодня на цифровых интегральных микросхемах. После появления цифровых интегральных микросхем (ЦИМС) для реализации цифровых логических схем были выбраны несколько технологий. Каждая из них применяется при производстве деталей определенных групп. Этот раздел рассматривает серии, которые могут с наибольшей вероятностью встретиться в оборудовании, выпущенном за последние 25 лет.

ТТЛ

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) очень широко использовалась для построения цифровых схем. Если не учитывать историю происхождения такого названия, оно может показаться избыточным. Ранние логические схемы основывались на резисторно-транзисторной логике (РТЛ) и диодно-транзисторную логике (ДТЛ).

ТТЛ используется более 25 лет, и ее базовый формат не изменился, хотя технология изготовления ИМС улучшилась и внутренние компоненты модифицировались, что повысило быстродействие и уменьшило энергопотребление.

«Гербом» семейства ТТЛ является префикс 74 на номере детали. Изначально ИМС ТТЛ имели номер 74хх. Например, микросхема с номером 7400 представляла собой 4 двувходовых схемы И-НЕ (то есть 4 схемы И-НЕ с двумя входами в едином кристалле ИМС). Схема 7404 представляла собой шесть инверторов в одном корпусе. Затем возникла необходимость в более быстродействующих логических схемах. За счет уменьшения номиналов внутренних резисторов в схемах ТТЛ удалось увеличить частоту переключения (но и рассеивание энергии), в результате появилась новая серия 74Н (высокоскоростная).

Другие применения требовали меньшего рассеивания энергии, но не нуждались в высоком быстродействии. Так появилась серия 74L (с низким потреблением энергии). Были разработаны транзисторы Шоттки, недостигающего глубокого насыщения в открытом состоянии, вследствие чего могли выключаться быстрее, чем обычные биполярные транзисторы, что привело к созданию серии 74S. Комбинация технологии с низким потреблением и транзисторами Шоттки дало серию 74LS.

Спустя годы были разработаны способы изготовления транзисторов, которые быстрее переключаются и имеют меньшее энергопотребление. Новые технологии породили усовершенствованные схемы Шоттки 74 AS, модернизированные схемы Шоттки с низким потреблением ALS, высокоскоростную 74F серии семейства ТТЛ. Эти приборы использовались в случаях, где было необходимо высокое быстродействие.

Во всем семействе ТТЛ прибор с одинаковым номером детали совместимым с любым другим прибором семейства, вывод соответствовал выводу. 74LS00 также представляет собой четыре двухвходовых схемы И-НЕ, как и 74ALS00, 74S00 и т. д. У разных серий может отличаться только быстродействие, требования к энергопотреблению и спецификации входных и выходных токов.

Когда возникает подозрение, что деталь неисправна, обычно она просто заменяется другой, а специалист выясняет, устранит ли это проблему. Достаточно часто в схеме используются детали разных серий. Предположим, например, что возникла неисправность микросхемы 7408, но у вас на складе есть только 74LS08.

Если замена стандартной микросхемы ТТЛ 7408 на 74LS08 решает проблему, то, вероятно, 7408 неисправна.

Более того, если замена на микросхему 74LS не решает проблемы или появляются другие симптомы, это не обязательно означает, что 7408 исправна, и очень вероятно, что ваша новая деталь была подвергнута воздействию, выходящему за пределы рабочего диапазона.

Другой характеристикой всех устройств ТТЛ является напряжение источника питания. Каждая микросхема имеет вывод, помеченный Vcc (напряжение питания для коллекторов). Номинальная величина Vcc для схем ТТЛ всегда составляет 5 В. Детальные требования к напряжению и другие технические нюансы можно найти в справочнике по ТТЛ. К счастью, спецификации почти идентичны у всех изготовителей.

На рис. 7.12 показаны характеристики ТТЛ фирмы Texas Instruments.

Рис. 7.12. Спецификация микросхемы 74LS00

Первая часть спецификации показывает абсолютные максимальные значения для входов прибора. Вторая — характеристики напряжения и тока на входе и выходе. Последняя часть демонстрирует характеристики переключения прибора.

Уровень логической 1 в схемах с ТТЛ считается равным 5 В, а логический 0 — равным 0 В. Спецификация показывает реальные пределы этих уровней. Например, Voh может иметь любое значение выше 2,4 В. Это означает, что если выход не перегружен, то гарантируется высокий уровень выходного сигнала больше 2,4 В. Параметр Vih показывает, что любое напряжение, поданное на вход этой схемы, большее 2,0 В, будет рассматриваться как высокий логический уровень. На рис. 7.13 показаны определения уровней для схем с ТТЛ. Если в схеме ТТЛ какие-либо измерения показывают 0.4–2.4 В, судя по всему, имеет место неисправность.

Рис. 7.13. Определения напряжений для логики ТТЛ

Спецификации по входному току (Iih и Iil) показывают величины втекающего и вытекающего токов в зависимости от того, какая логика используется (положительная или отрицательная). Эта информация помогает определить, может ли другой прибор вызвать срабатывание данной схемы. Спецификации выходного тока (Ioh или Iol) показывают, какова должна быть максимальная нагрузка. Например, Iohmax 400 мкА означает, что прибор не должен иметь ток нагрузки более 400 мкА.

Распространенной ошибкой при поиске неисправностей экспериментальных схем является использование светодиода для определения логического уровня выхода. Светодиод на рис. 7.14 (который будет потреблять ток 5-10 мА) перегружает выход схемы, к которой он подключен.

Рис. 7.14. Перегрузка выхода прибора ТТЛ при использовании светодиода для тестирования

Он уменьшит выходное напряжения до уровня менее 2 В, что может быть не признано в качестве высокого уровня следующей микросхемой. Правильный способ проведения такого теста будет показан дальше в этой главе.

Для того чтобы принимать разумные решения при поиске неисправностей, важно также понимать устройство электрической схемы, которая помещена в корпус ИМС. Большинство приборов ТТЛ имеют одинаковую базовую выходную схему. На рис. 7.15 показана схема, которая называется выходным двухтранзисторным каскодом.

Рис. 7.15. Схема выходного двутранзисторного каскода ТТЛ

Каскóд — тип схемы, образованной последовательным соединением двух транзисторов, причем эмиттер верхнего транзистора соединен с коллектором нижнего. Но в каскоде транзисторы, как правило, работают в активном, а не в ключевом режиме, поэтому выходной каскад ТТЛ проще считать противофазно работающими ключами.

Двухтранзисторный каскод образован R4, Q3, D2, Q4. Его задача заключается в том, чтобы переключить напряжение 5 В на выход при высоком уровне выходного сигнала (с использованием R4, Q3, D2), и соединить вход с землей 0 В при низком уровне выходного сигнала (с использованием Q4). Обратите внимание на различия между двумя переключающими цепями. Когда выход низкий, включается Q4 и его коллектор имеет напряжение очень близкое к земле (Vce(sat) = 0). Это образует очень результативный и эффектный переключатель.

С другой стороны, верхняя часть двутранзисторного каскода должна подавать ток от источника питания для обеспечения высокого логического уровня. Этот ток должен пройти через R4, Q3, D2 прежде, чем он попадет на выходной вывод и нагрузку. Поскольку на диоде падение напряжения составляет 0,7 В, на резисторе R4 также присутствует напряжение, пропорциональное току нагрузки, то выходное напряжение определенно не станет близко к 5 В. В действительности выход ТТЛ обычно меньше 4 В, а часто даже меньше, чем 3,5 В, даже при минимальной нагрузке.

Поэтому очевидно, что каскад гораздо лучше пропускает ток от нагрузки на землю, чем ток от источника с Vcc на нагрузку. Каскадный выход ТТЛ лучше выполняет отвод тока, поскольку схема переключения, контролирующая соединение выхода с землей, более эффективна, чем переключатель на Vcc.

Важное значение имеет также природа входных сигналов ТТЛ. Когда на вход подается низкий уровень, ток течет от Vcc через R1, через бузу Q1 на эмиттер и затем из входа. Когда используется положительная логика, тока почти нет. Вход ТТЛ является гораздо большей нагрузкой для источника выходного сигнала с низким выходом, чем для источника с высоким выходом. Это объясняет также, почему вход схемы ТТЛ, в которой произошел обрыв, работает так, как будто на него был подан сигнал высокого уровня.

Есть также два других типа выходных цепей, которые используются в некоторых приборах ТТЛ. Они называются схемами с выходным транзистором с открытым коллектором и схемами с выходом с тремя состояниями.

Схема с открытым коллектором показана на рис. 7.16. Заметьте, что в ней нет верхней части двухтранзисторного выходного каскода.

Рис. 7.16. Схема ТТЛ с выходным транзистором с открытым коллектором

Этот тип востребован, когда пытаются использовать схему ТТЛ для работы с прибором, который не рассчитан на 5 В, как показано на рис. 7.17.

Рис. 7.17. Работа с нагрузкой, требующей высокого напряжения

Выход таких приборов не может дать напряжение, даже когда логический уровень высок. Часто вместо верхней части каскадного выхода с этими приборами используется внешний резистор, подключенный к цепи питания, который должен обеспечить высокий уровень сигнала.

Можно соединить вместе выходы нескольких схем с открытым коллектором, как показано на рис. 7.18.

Рис. 7.18. «Монтажное И» с шестью входами на основе использования схем с открытым коллектором

Поскольку ни одна их них не выдает высокого выходного уровня напряжения, не возникает соединений между уровнями высокий и низкий, как имело бы место при использовании каскадного выхода. Единственный способ сделать выход высоким, заключается в том, чтобы сделать высоким уровень всех схем. Поэтому такое подключение называется «Монтажное И».

Выходы ТТЛ с тремя состояниями могут отключать одновременно и верхнюю, и нижнюю часть двутстранзисторного каскодного выхода с помощью воздействия на управляющий вход кристалла. Это переводит выход в состояние «высокого импеданса», которое используется, когда несколько выходов разделяют одну линию соединения. В главе 9 эта концепция рассмотрена более подробно.

КМОП

Вскоре после появления ТГЛ была разработана новая технология, в которой использовался другой тип транзистора, не такой, как в схемах ТТЛ. Металл оксид-полупроводниковые полевые транзисторы MOSFET (полевые МОП-транзисторы) имеют 3 вывода, которые называются сток, исток и затвор и соответствуют коллектору, эмиттеру и базе биполярного транзистора.

Эти транзисторы имеют очень высокое входное сопротивление между затвором и двумя другими выводами. Когда такие транзисторы используются для построения логических схем с помощью комбинирования дополнительных пар транзисторов, результирующие логические схемы называют комплементарными металл-оксид-полупроводниковыми CMOS (КМОП).

В 1970–1980 годах схемы КМОП считались приборами с низким потреблением и недостаточным быстродействием. Однако технология улучшилась до такой степени, что КМОП-логика стала не менее быстродействующей, чем большинство серий ТТЛ при значительной экономии мощности. Поэтому большинство новых логических приборов выполняются именно на основе схем КМОП.

Благодаря высокому входному сопротивлению затворов вход схем КМОП почти не потребляет ток от предыдущей схемы. Термин комплементарный означает, что в каждом приборе КМОП два типа транзисторов — полевые МОП-транзисторы n-типа и полевые МОП-транзисторы р-типа.

Первые переключаются (при этом происходит замыкание стока на исток) при подаче положительного напряжения на затвор. Транзисторы p-типа переключаются, когда на затвор подается 0 В. Схемы потребляют очень малый ток от источника питания вследствие комплементарной природы цепей, как показано на рис. 7.19. Заметьте, что не возникает завершенного пути для тока от Vdd до Vss. Выход замыкается на Vdd при высоком уровне и замыкается на Vss при низком.

Рис. 7.19. Схема ИЛИ-HE технологии КМОП

Полевые КМОП-транзисторы, имеют большее по сравнению с биполярными транзисторами сопротивление сток-исток во включенном состоянии в десятки и даже сотни Ом.

Если через полевые КМОП-транзисторы течет слишком большой ток, выходное напряжение рискует превысить допустимый уровень, тогда рассеиваемая мощность разрушит транзистор. Если через выход течет слишком малый ток, напряжение на выходе будет очень близким к величине Vdd или Vss. Характеристики и методы тестирования таких транзисторов описаны в главе 1.

Первым семейством приборов КМОП, которые получили широкое распространение, были ИМС общего назначения серии 4000. Несколько изготовителей выпускают схемы с такими номерами. Некоторые компоненты выпускает фирма Motorola, но ее номера деталей начинаются на 1, поэтому микросхема из 4 двухвходовых схем И-НЕ 4011 будет обозначаться 14011.

Эти микросхемы имеют преимущество, заключающееся в широком диапазоне напряжений питания в пределах от 3 до 18 В. Логический уровень ВЫСОКИЙ опознается схемой КМОП при любой величине, большей 2/3 Vdd.

НИЗКИМ уровнем считается сигнал со значением менее 1/3 Vdd. Обратите внимание, что если на Vdd подается напряжение питания 5 В, а V — земля, то допустимыми входными сигналами будут 0–1,7 В для уровня НИЗКИЙ и 3,33-5,0 В для уровня ВЫСОКИЙ. Эти определения логических уровней не полностью совместимы с выходными сигналами ТТЛ, поэтому для правильного их различения при совместном использования ТТЛ и КМОП приборов необходимо дополнительное оборудование.

Если схема КМОП должна запускаться выходными сигналами ТТЛ, то обычно принимаются определенные меры предосторожности. Главная проблема заключается в том. что ТТЛ гарантирует только, что ее выход 2.4 В соответствует логическому уровню ВЫСОКИЙ. Вход КМОП требует по меньшей мере 3,3 В для того, чтобы воспринять поступающий сигнал как высокий. Чтобы получить с ТТЛ большее напряжение для логического уровня высокий, часто на выход схемы устанавливается повышающий резистор, как показано на рис. 7.20.

Рис. 7.20. Подключение прибора ТТЛ к прибору КМОП

Если ТТЛ подключается с КМОП, работающей от источника питания более 5 В, то для передачи логических уровней необходимы более сложные схемы.

Популярность ИМС ТТЛ и преимущества низкого энергопотребления КМОП были совмещены в серии 74С КМОП. Эти детали идентичны с точки зрения соответствия выводов деталям ТТЛ с тем же номером. Однако их внутренняя схема использует КМОП и имеет входные и выходные спецификации КМОП. Они также работают медленнее, чем приборы ТТЛ.

Серия 74НС предоставляет более быстродействующие детали КМОП, которые конкурируют со стандартными ТТЛ по скорости, но в то же время имеют характеристики КМОП. Эти детали можно считать имеющими интерфейс непосредственно с ТТЛ, поскольку у них иное определение уровня логических сигналов и другие характеристики выходных токов. Серия 74НСТ содержит устройства, заменяющие ТТ. Они изготовлены с помощью технологии КМОП, но обеспечивают логику, совместимую с ТТЛ по входам и выходам. Рассеиваемая мощность 74НСТ не так мала, как у 74НС, но значительно выше, чем у приборов на основе стандартной ТТЛ технологии (табл. 7.1).

ЭСЛ

Эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ) — это еще одно семейство логических ИМС, которые реализуют совершенно другой подход. ТТЛ и КМОП-транзисторы используются таким образом, что достигают полного насыщения или находятся в состоянии полной отсечки.

Природа транзисторов требует больше времени, чтобы вывести транзистор из состояния полного насыщения, нежели чем сместить его рабочую точку в пределах линейного участка его характеристики. В схемах ЭСЛ все транзисторы смещаются, оставаясь при этом в зоне между насыщением и отсечкой, образуя очень быстрые логические приборы, которые работают при довольно нестандартных уровнях логических сигналов. ЭСЛ используются, только когда требуется очень высокое быстродействие.

ПЛИС

В последние годы развивается совершенно новый метод применения цифровых логических схем, который требует очень гибких устройств, где логическая комбинация входов программируется пользователем для получения желаемого выходного сигнала.

Хотя эта технология имеет много форм и конфигураций, все их можно объединить под одним определением: программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Они являются любимой игрушкой инженера-проектировщика и ночным кошмаром специалиста по техническому обслуживанию. Для создания логической функции инженер просто задает связь между входами и выходами одним из следующих способов:

♦ с помощью логических уравнений, связывающих входы и выходы;

♦ рисуя схему с помощью программ автоматизированного программирования;

♦ определяя таблицу истинности, связывающую входы и выходы;

♦ описывая работу схемы с использованием языка аппаратных средств HDL.

Специальное программное обеспечение переводит информацию из одного формата, указанного выше, в файлы, используемые для программирования приборов. Программирование заключается в том, что деталь вставляется в специальный программатор, и оператор печатает несколько команд на компьютере.

Новейшие приборы не надо даже извлекать из схемы. Они программируются внутри системы с помощью подключения к компьютеру специальным кабелем. Весь процесс, от завершения проектирования до получения готового прибора, занимает несколько секунд. Более того, схему, которая с помощью логических устройств на основе ТТЛ и КМОП занимала целую плату, часто можно выполнить в виде одной ИМС с 20 выводами!

К несчастью, многие изготовители не выпускают документацию о связи входов и выходов ПЛИС. Это оставляет специалиста по техническому обслуживанию с таинственным черным ящиком, чью работу он не может предсказать.

Критическим моментом в поиске неисправностей любой детали является понимание того, как она должна работать, и локализация секций, которые не функционируют.

При работе с дискретной логикой ИМС семейств ТТЛ и КМОП специалист может найти детали в описании и понять правильную работу схемы. Если выяснялось, что компонент неисправен, его можно легко приобрести и заменить.

Искать же неисправности в ПЛУ без документации невозможно, поскольку они запрограммированы изготовителем. Только фирма-производитель обладает информацией касательно программирования этой детали, и только ее специалисты могут заменить компонент.

К числу распространенных приборов этой категории относятся однократно программируемые матричные логические схемы ПЛМ и устройства с типовой матричной логикой, которые позволяют перезаписывать информацию несколько раз.

Обычно детали ПЛМС имеют обозначения PAL 16L8 (комбинационная логика) и PAL 16R8 (регистрируемые выходы). GAL 16V8 может использоваться вместо приборов PAL. Большинство сложных ПЛМ сейчас очень широко применяются и содержат больше логических схем и триггеров, что позволяет им легко соединяться для формирования функциональных блоков цифровой схемы в едином программируемом кристалле.

Корпуса и идентификация ИМС

Наибольшее распространение получили логические ИМС в корпусах с двухрядным расположением выводов (DIP) с 14,16, 20, 22, 24 и 28 выводами (рис. 7.21.

Рис. 7.21. Примеры микросхем с двухрядным расположением выводов

Есть несколько методов маркировки вывода 1. Наиболее распространенный — выемка и точка, как показано на рис. 7.22.

Рис. 7.22. Идентификация выводов микросхемы с двухрядным расположением выводов

Маркировка собственно ИМС содержит код изготовителя, номер детали, специальное обозначение и указание типа корпуса. Например, SN74LSOON означает фирму Texas Instruments (SN), ТТЛ (74), на маломощных транзисторах Шоттки, четыре двухвходовых схемы И-НЕ (00) в пластмассовом корпусе DIP (N). Специальные символы и указатели типа корпуса обычно можно найти в справочниках изготовителей. Большинство изготовителей микросхем помещают на детали название фирмы или логотип организации.

Большинство новых микросхем, которые выпускаются для технологий автоматизированного производства, представляют собой приборы для поверхностного монтажа. У них меньшее расстояние между выводами, а сами выводы расположены с четырех сторон. На рис. 7.23 изображены два типа популярных корпусов и их выводы. В табл. 7.2 приведены данные о других типах корпусов.

Рис. 7.23. Идентификация выводов приборов поверхностного монтажа

Природа неисправностей

Сервисное обслуживание цифровых схем обычно считается наиболее простым. Это особенно справедливо для систем, которые надежно работали, а затем в них возникала неисправность, в отличие от новых конструкций, которые требуют отладки при доводке.

Чтобы приведенное правило было справедливо, необходимо соблюдать следующие условия:

♦ понимание работы схемы;

♦ понимание природы возможных неисправностей;

♦ понимание возможных причин неисправностей;

♦ способность читать схемы;

♦ систематический подход к локализации проблем.

В транзисторах обычно возникают неисправности двух типов: короткое замыкание и обрыв. Цифровые схемы состоят, в основном, из транзисторов и поэтому именно они нередко становятся источниками неполадок. Важно понимать влияние короткого замыкания и обрыва на работу конкретной детали и компонентов, с которыми она соединена. Тестирование транзисторов рассматривалось в главе 1. Здесь мы рассмотрим неисправности транзистора применительно к цифровым интегральным микросхемам.

Обрыв

Обрыв означает, что предполагаемый контур протекания тока был каким-либо образом нарушен. Если лампа не работает до тех пор, пока вы не пошевелите провода возле вилки, это свидетельствует о разрыве проводов или обрыве в схеме. Такой же тип неполадки может случиться в цифровой ИМС. Слишком сильный ток мог разрушить кремний, из которого сделан транзистор.

Транзистор вышел из строя, значит он больше не будет включаться. Симптомы этой неполадки напоминают обрыв в схеме. Плохое крепление кристаллодержателя, который ведет к кристаллической пластине, также может привести к обрыву. В любом случае, такая поломка означает, что ток не может больше протекать правильно.

Обрыв в схеме может произойти на входе и на выходе. В результате вход и выход предыдущего устройства электрически разъединены. В зависимости от типа микросхемы она в этом случае будет вести себя по-разному. Посмотрев на схему ТТЛ, вы увидите, что схема с обрывом на входе будет работать, как при приходе логической 1. Следовательно, выход ТТЛ открыт, входы всех схем ТТЛ, подключенных к этому выходу, будут воспринимать всегда логический уровень ВЫСОКИЙ.

Входной сигнал схемы КМОП поступает на затвор полевого КМОП-транзистора. Вход этих микросхем с высоким импедансом может изначально не воспринимать напряжения при обрыве, и считать его логическим уровнем НИЗКИЙ. Через некоторое время, однако, входные токи шумов могут сложиться с входным сигналом и образовать заряд, подобно тому; как это происходит в транзисторе. После накопления достаточного заряда логическая схема может воспринять его как логический уровень ВЫСОКИЙ на входе.

Другая возможность заключается в том, что напряжение на выходе с обрывом будет очень близко к абсолютной границе между высоким и низким логическими уровнями, что вызовет постоянные высокочастотные колебания на выходе прибора. Высокочастотные колебания в цифровой схеме приведут в возрастанию потребления тока, заставляя се нагреваться. В то же время схемы с обрывом на входе не реагируют на поступающие на них сигналы.

Обрывы на входах и выходах микросхем происходят внутри, но могут быть вызваны и плохими соединениями выводов ИМС с контактами панельки, холодной пайкой, трещинами печатной платы, согнутыми выводами ИМС. Для того чтобы отличить эти проблемы от неисправностей внутри микросхемы, сравните логические сигналы выводов микросхемы с подозрением на неисправность с сигналами выводов правильно соединенной микросхемы.

Короткое замыкание

Короткое замыкание — это тот козел отпущения, которого чаще всего обвиняют во всех электрических проблемах.

Короткое замыкание — непредусмотренное соединение с относительно малым сопротивлением между двумя точками электрической цепи, которое вызывает чрезмерный (часто разрушительный) ток между этими точками.

Создается впечатление, что в 99 % случаев, когда люди дают отчет о проблеме, возникшей в электронном оборудовании, они вынуждены давать авторитетный диагноз: «Это было короткое замыкание». В действительности это явление возникает относительно редко и в большинстве устройств его легко обнаружить. Настоящее короткое замыкание в силовой цепи сопровождается такими признаками, как сгоревшие предохранители, клубы дыма, тлеющие угольки, отчетливый запах горелого кремния.

К сожалению, в цифровых ИМС ток, который может протекать, обычно ограничен другими элементами схемы, и когда возникает короткое замыкание транзистора, его признаки не очевидны. Короткое замыкание на входе или выходе цифровой схемы обычно означает, что для тока возник контур с низким импедансом от положительного или отрицательного источника питания ИМС. Если через полупроводниковый прибор протекает слишком большой ток, но этот ток все же недостаточен для того, чтобы испарить его, кремниевые соединения разрушаются, и прибор ведет себя как при коротком замыкании.

В устройствах с технологией ТТЛ короткое замыкание транзистора в верхней части выходного каскада приведет к тому, что на выходе транзистора будет постоянный низкий логический уровень, что послужит причиной такого же уровня на входах всех приборов, подключенных к данному выходу, как показано на рис. 7.24.

Рис. 7.24. Короткое замыкание на выходе прибора ТТЛ

Короткое замыкание транзистора в верхней части выходного каскада случается нечасто и его можно даже и не заметить, поскольку схема работает как повышающий резистор.

В схемах КМОП короткое замыкание может возникать на положительной или отрицательной шине питания. Результатом может быть постоянный логический уровень, ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ соответственно.

Другой вариант — запрещенное логическое состояние. Предположим, например, что транзистор вышел из строя таким образом, что он воспринимается как резистор с сопротивлением 100 Ом между выходом и землей. Когда на выходе должен появиться низкий логический уровень, все идет нормально. Когда на выходе должен возникнуть высокий логический уровень, выход становится делителем напряжения, как показано на рис. 7.25. В результате вместо логического уровня ВЫСОКИЙ на выходе возникает запрещенный логический сигнал.

Короткое замыкание на входе имеет те же признаки, что и на выходе. Нередко очень трудно определить, закорочен ли выход, что заставляет входы других схем быть в состоянии НИЗКИЙ или ВЫСОКИЙ, или же закорочен вход, влияя на выход предыдущей схемы.

Между выводами ИМС также возникает короткое замыкание. Внутренние проблемы такого типа довольно редки. Обычно это связано с перемычками из припоя, остатками проводящего флюса, короткими замыканиями в кабеле или соединениях платы.

Рис. 7.25. Короткое замыкание на выходе прибора КМОП

Неисправные периферийные компоненты

Цифровые логические ИМС обычно не требуют подключения дополнительных компонентов. Однако в некоторых точках они должны подключаться к входным и выходным частям схемы: переключателям, резисторам, светодиодам. Есть также много ИМС, считающихся цифровыми приборами, которые требуют для своей работы периферийных компонентов. Эти приборы и методы поиска неисправностей в них рассматриваются в следующей главе.

Потенциальные причины неисправностей

Одной из наиболее распространенных причин возникновения неисправностей в цифровых схемах является воздействие тепла. Наиболее уязвимы компоненты, которые должны рассеивать достаточно большое количество тепла, а также расположенные рядом с ними детали. Хотя современные системы невелики по размеру, с меньшим числом компонентов и потреблением энергии, они в настоящее время используют множество плат с несколькими рядами интегральных схем. Тепло, рассеиваемое таким большим количеством ИМС, может быть значительным.

Такие системы должны быть снабжены соответствующей вентиляцией. Для этого существуют вентиляционные прорези, перфорированные шкафы, или небольшие вентиляторы. Ориентируясь на следующие правила, удостоверьтесь в адекватности принятых мер:

♦ не помещайте предметы на панели с вентиляцией;

♦ не перекрывайте вентиляционные отверстия, расположенные на боковых панелях приборов;

♦ проверяйте работу вентиляторов;

♦ содержите воздушные фильтры в чистоте.

Другой стандартной причиной поломок в цифровых и других электронных деталях являются интенсивные переходные процессы: выбросы напряжения и тока очень часто встречаются в промышленных областях. Они могут попадать в систему через источник питания, наводиться сильными электрическими и магнитными полями вблизи оборудования, могут быть результатом действия обладающих высоким реактивным сопротивлением устройств внутри системы, например двигателей, реле, соленоидов. Наиболее опасным, особенно для бытовой электроники, источником переходных процессов является молния. Эффекты непредсказуемы и в большинстве случаев разрушительны.

Хотя специалист не может прогнозировать влияние указанных выше факторов, есть предосторожности, которые следует соблюдать при работе с оборудованием чтобы не вызвать новых проблем.

Каждая схема, содержащая полевые МОП-транзисторы, очень чувствительна к статическому электричеству. Полевые МОП-транзисторы используют тонкий металл-оксидный изолятор для отделения затвора от кремниевого канала, который разрушается при относительно высоком напряжении (> 50 В). В сухой среде обычная одежда при движении тела может вызвать накопление тысяч вольт статического потенциала. Если не приняты соответствующие меры и схема, с которой вы работаете, имеет другой статический потенциал, то заряд вашего тела и одежды может вызвать разряд через компоненты и выход их из строя.

Чтобы не сжечь схему, вы должны уравнять ее потенциал и потенциал вашего тела. Для этого носите на запястье браслет, соединенный с землей схемы. Все тестовое оборудование должно быть подключено к общей земле (включая паяльник). Следует избегать одежды, которая имеет тенденцию к образованию статического электричества (нейлон, шерсть). Используйте аэрозоли (охлаждающие, средство удаления флюса, очистки контактов), свободные от статического электричества. Как минимум, обязательно коснитесь шасси или детали оборудования. чтобы снять с себя заряд перед тем, как приступить к работе со схемой. Работая с ИМС, по возможности, не касайтесь выводов, держите их в проводящем пеноматериале, чтобы сохранить одинаковый потенциал.

Другое явление, которое может разрушить микросхемы, изготовленные по технологии КМОП, называется тиристорное защелкивание. При производстве комплементарных полевых КМОП транзисторов и соединении их в логические схемы образуется многослойная структура из кремния с проводимостью р-и n-типа. Эти слои могут образовать паразитный тиристор, аноды которого подключены к двум шинам питания и чей управляющий электрод представляет собой выходной вывод логической схемы.

Тиристор — это полупроводниковый прибор, который до подачи тока на управляющий электрод размыкает цепь. При повышении на нем напряжения до определенного уровня тиристор отпирается и до отключения анодного тока создает короткое замыкание. При нормальной работе логической микросхемы КМОП паразитный тиристор никогда не включается. Однако, если на выходной контакт подается слишком большое внешнее напряжение, тиристор включится или «защелкнется», что приведет к протеканию большого тока от Vdd через ИМС к Vss. Через несколько секунд ИМС будет разрушена. Для предотвращения тиристорного защелкивания на входах и выходах приборов КМОП никогда не должно возникать напряжение выше Vdd или ниже Vss. Никогда не подключайте тестовое оборудование типа генератора сигналов к схеме прежде, чем на нее подано питание.

Не вставляйте и не вынимайте печатные платы при включенном оборудовании. Если трудно подключиться к тестовой точке при активированной системе и платам на месте, сначала выключите оборудование и генератор сигналов и выньте плату. Затем подключите генератор и вставьте плату, и включите питание до активации генератора сигналов

Чтение цифровых схем

Для эффективного обслуживания цифровых схем необходимо обладать технической информацией. Как минимум, вам нужна принципиальная схема. Если типы компонентов не указаны на поверхности печатной платы, вам также нужна схема расположения деталей. Некоторые технические руководства дают диаграммы поиска неисправностей, которые помогут вам провести диагностику устройства. Другие пособия описывают тестовые функции и сигналы, которые должны быть в соответствующих контрольных точках.

Схемная документация отличается в зависимости от изготовителя и возраста оборудования. Б большинстве схем по-прежнему используются стандартные логические символы для отдельных схем и обозначения блоков для более сложных цифровых приборов. Для устранения неоднозначности в обозначениях был разработан новый стандарт. Он называется IEEE/ANSI Standard 91-1984. Хотя он и не получил широкого признания необходимо знать о его существовании.

Пример типичной схемы показан на рис. 7.26.

Рис. 7.26. Типичная цифровая схема

Большинство логических микросхем содержат несколько логических элементов. Проектировщик мог использовать отдельные части различных микросхем в цепях, которые не связаны друг с другом. Например, в этой схеме используется ИМС 74LS00. Два элемента используются как реле пуска/остановки, третий подает тактовые импульсы в счетчик, четвертый нужен для перезагрузки счетчика 2. Все эти элементы физически расположены в одной микросхеме, но электрически распределены по схеме. Некоторые элементы имеют одинаковый номер ИМС с су ффиксами, показывающими, что это за элемент. Цифры на входах и выходах показывают номера выводов ИМС. Обратите внимание, что у микросхем 74LS90 выводы имеют и номера, и названия. Это позволяет пользователю понять их функцию, не обращаясь к справочнику но микросхемам.

Обычной практикой для схем является представление логических элементов таким образом, чтобы показать, является ли их вход активным при высоком или низком уровне сигнала. Кружок используется как логический символ, показывающий активные при низком уровне сигнала входы и выходы. Черта над названием сигнала показывает, что он активен при низком уровне. Может быть, это и не очевидно с первого взгляда, но логический элемент ИЛИ с инвертированным входом выполняет ту же логическую функцию, что и элемент И с инвертированным выходом (это явление известно как теорема Де Моргана). Даже хотя U1A и U1B изображены как схемы ИЛИ с входами, возбуждаемыми НИЗКИМ логическим уровнем сигнала, они реализованы на элементах И-НЕ той же ИМС. что и U1C. То же самое касается инвертора U2A. Поскольку входной сигнал активируется при низком уровне (то есть при сбросе уровень на выводе 1 будет низким), он показан как инвертор с кружком на входе. Вывод 2 при сбросе будет иметь уровень высокий, на его выходе показан активно высокий уровень сигнала.

Выходы счетчиков U3 и U4 помечены для того чтобы можно было проследить их связи с другими участками схемы, которые не показаны на этом чертеже. Входы Start, Stop, Reset подключены к переключателям, которые расположены вне этой платы, и здесь показан номер вывода разъема. Работа этой цифровой схемы рассмотрена в следующей главе.

Поиск и локализация неисправностей

Полное техническое руководство очень полезно и часто необходимо для отыскания неисправности в сложной цифровой схеме. Такие справочные материалы содержат описание рабочих процедур, блок-схемы, теории работы схемы, диаграммы диагностики и поиска неисправностей, а также описанную ранее документацию. Для выяснения первопричин проблемы специалист должен знать, как работает прибор и каковы способы управления им.

Если у вас есть диаграмма поиска неисправностей, вы можете по ней протестировать систему шаг за шагом. Эго обычно предполагает подачу некоторых входных сигналов или каких-либо известных тестовых сигналов и наблюдение реакции схемы. После чего можно сделать некоторые выводы относительно области, в которой возникла неисправность. Изготовитель оптимизирует диаграмму для минимизации числа необходимых тестов, указывая только те действия, которые приводят к однозначным результатам.

Если диаграммы поиска неисправностей нет в наличии, вы должны решить, какие тесты необходимо провести и какие выходы наблюдать для локализации проблемы. При этом лучше всего начать с блок-схемы системы.

Можно подумать, что сервисное обслуживание — это процесс поиска одного или более неисправных компонентов системы.

В действительности его можно более точно определить, как процесс пошагового исключения. Каждый этап поиска неисправностей должен быть спланирован для подтверждения того, что одна из основных секций, схем или деталей работает правильно. Чем большее число секций системы оказались исправным, тем меньше область, в которой приходится искать. Следовательно, надо планировать тесты, которые позволяют исключить максимально большую часть системы. Если вы начнете с проверки отдельных компонентов, вы вряд ли быстро найдете причину проблемы.

Не так давно несколько студентов-инженеров предприняли первую попытку поиска неисправностей электронного оборудования. Объектом служил ультразвуковой терапевтический зонд, который имел очень слабый выходной сигнал. Подход студента, зарегистрированный в журнале ежедневного учета, выглядел следующим образом. «Физиотерапевтическое отделение больницы сообщило о том, что ультразвуковая установка имеет недопустимо низкий выходной сигнал. При проверке печатной платы были обнаружены два больших резистора 470 Ом. На каждом из этих компонентов было проведено измерение сопротивлении и обнаружено, что оно составляет менее 100 Ом. Были заказаны новые резисторы».

Конечно, это пример неправильного использования метода исключения. Первый тест, который был выполнен, предназначен для того, чтобы исключить единственный компонент, никаких признаков неисправности которого не было. Даже если бы этот тест показал, что резисторы исправны, подход случайного выбора и проверки компонентов был бы длинным и скучным. Более того, тест был неправильно проведен. Измерение сопротивления внутри схемы почти всегда показывает значение меньше реального вследствие множества соединений с окружающим цепями.

Правильная процедура заключается в том, чтобы сначала проверить, действительно ли выходной сигнал слабый. Ошибка оператора является причиной многих проблем (но будьте тактичны, когда вы объясняете это оператору). После того как вы определили, что выходной ультразвуковой сигнал действительно имеет недостаточную мощность, следует обратиться к техническому руководству. Низкий выходной сигнал может просто означать, что необходима калибровка или настройка, как в приведенном примере. Только после выполнения калибровки специалист может искать неисправности в схеме.

Необходимо провести измерения в тестовых точках, расположенных в стратегически важных пунктах схемы, чтобы проверить, соответствуют ли сигналы приведенным в руководстве параметрам. Идеальным местом для начала измерений в подобной ситуации является точка в середине блок-схемы, как показано на рис. 7.27.

Рис. 7.27. Метод половинного деления

Если форма сигнала достаточно близка к приведенной в руководстве, то можно исключить всю первую часть схемы. Этот процесс следует повторять, исключая на каждом этапе половину оставшейся схемы. Такая техника называется «разделяй и властвуй» или «деление пополам». Результатом такой процедуры должна стать локализация неисправности в каком-то конкретном блоке или модуле системы с соответствующим входным сигналом и плохим выходным.

Можно заменить весь модуль, если система построена по модульному принципу. Это наиболее экономичный способ решения проблемы. Ремонтируя печатную плату, приходится проводить поиск неисправностей на уровне компонентов.

Нужно понимать, что поиск неисправности редко представляет собой прямолинейный процесс. Очень часто тесты, которые вы придумываете в надежде найти решение проблемы, в реальности приводят к двусмысленным результатам и сомнительным выводам. Медицинское ультразвуковое оборудование дает классический пример этого. В действительности очень часто после сбора значительной тестовой информации делается неправильный вывод о том, что данный блок имеет неправильные входные сигналы, но правильные выходные сигналы. Промежуточные решения часто основаны на предположениях, которые неверны. Когда факты не сочетаются друг с другом, оцените средства, которыми была получена ваша информация.

Как было указано в главе 1, другим аспектом локализации неисправностей является использование ваших чувств. Поищите явные физические повреждения на платах схемы. Может быть, есть клубы дыма, в таком случае найдите источник.

Используйте обоняние для идентификации горячих или сгоревших компонентов. После непродолжительной практики вы сможете отличать сгоревшие углеродные резисторы от полупроводниковых элементов, от горелого лака (обмоток трансформатора). Прислушайтесь к высоким звукам, гудению дуги высокого напряжения, треску сгорающей ИМС.

Попробуйте идентифицировать неисправные компоненты, особенно закороченные, и ИМС на ощупь. Однако будьте осторожны, чтобы не обжечь палец или не получить удар током. Металлический корпус транзистора является частью схемы и часто может служить высоковольтным выходом. Не занимайтесь поиском неисправностей, случайным образом, касаясь деталей в схеме с включенным питанием. Касание может помочь вам локализовать и компоненты с обрывом. Многие части — мощные транзисторы, ИМС и резисторы — должны быть теплыми. Холодный или прохладный компонент такого типа может иметь обрыв.

Если с помощью таких очевидных методов была обнаружена неисправность, обязательно ищите причину ее возникновения. В противном случае замененные компоненты обречены на печальную судьбу.

Методы тестирования и специализированное оборудование

Для поиска неисправностей цифровых схем пригоден тот же арсенал технических средств, что и для других типов оборудования. Однако многие инструменты и методы подходят только для диагностики цифровых устройств.

Логические пробники

Как указывалось в главе 2, логический пробник представляет собой прибор, который подключается к тому же источнику питания, что и проверяемая схема, имеет заостренный щуп, используемый для тестирования различных точек схемы. Очень популярна модель, показанная на рис. 7.28.

Рис. 7.28. Логический пробник и его провода

Переключатель используется для установки логических параметров в соответствии с требованиями ТТЛ и КМОП, в зависимости от типа схемы, с которой вы собираетесь работать.

Другой переключатель, связанный со светодиодным индикатором импульса PULSE LED, осуществляет выбор между функциями импульсной и запоминания. В импульсном режима желтый светодиод будет мигать в течение около 300 мс при каждом логическом сигнале, а, если имеет место последовательность импульсов, индикатор будет мигать с частотой 3 Гц.

В режиме запоминания индикатор будет загораться и оставаться включенным при подаче любого сигнала на щуп пробника. Индикатор сбрасывается при переключении в импульсный режим. Это очень удобная функция в том случае, если вы хотите зарегистрировать импульс, который появляется не очень часто или случайно, или нельзя непосредственно наблюдать пробник в момент возникновения события, приводящего к появлению импульса.

Два других индикатора на логическом пробнике используются для индикации правильного логического уровня ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ на щупе пробника. Наблюдая эти индикаторы и импульсный индикатор, можно получить очень много информации о схеме, как показано на рис. 7.29.

Рис. 7.29. Показания индикаторов логического пробника

Логический импульсный генератор

Логический импульсный генератор внешне очень похож на логический пробник (см. рис. 7.28).

Назначение этого прибора заключается в подаче импульса на вход схемы, в то время как логический пробник отслеживает логическое состояние выхода. Обычно логический импульсный генератор используется совместно с логическим пробником и питается от тестируемой схемы, подключаясь с помощью красного и черного проводов с зажимами к шинам питания логических ИМС. Когда щуп пробника подключен к схеме, его внутренняя схема воспринимает логическое состояние схемы в данной точке и устанавливает на своем выходе такой же логический уровень. При нажатии кнопки на импульсном генераторе на его щупе формируется очень короткий импульс противоположного уровня. Импульсный генератор имеет достаточный ток, чтобы преодолеть действие выходов схем, подключенных к той же точке. Ширина импульса (длительность) достаточно мала, чтобы выходные цепи устройств не были повреждены при кратковременной принудительной подаче на них высокого или низкого уровня.

Если нажать и удерживать кнопку, большинство импульсных генераторов выдают также последовательность импульсов. При генерации импульсов светодиодный индикатор мигает. Задача логического импульсного генератора заключается в том, чтобы искусственно вызвать изменения состояния необходимого входа для того, чтобы наблюдать реакцию на выходе. На рис. 7.30 показано, как логический пробник и логический импульсный генератор работают вместе в цифровой схеме.

Рис. 7.30. Использование логического импульсного генератора и логического пробника

Ручное тестовое оборудование

Многие сложные тестовые приборы выпускаются сейчас в виде ручных устройств. Цифровые вольтметры с графическими дисплеями могут использоваться для наблюдения формы сигналов и измерения частоты и времени, а также напряжения, тока и сопротивления.

Новые ручные приборы можно использовать для поиска неисправностей цифровых устройств таким образом, что возникает комбинация логического пробника, цифрового вольтметра, осциллографа и даже простого логического анализатора. На рис. 7.31 показан прибор Logic Dari фирмы Hewlett-Packard, способный изучить последовательность импульсов с помощью звукового тонового индикатора, позволяя специалисту не отводить взгляда от схемы.

Он также показывает сопротивление или напряжение между двумя точками и выводит на дисплей показания в цифровом виде, как цифровой вольтметр с автоматической установкой диапазона. Если проверяются статические логические уровни, он работает как обычный логический пробник. Когда логические уровни изменяются, можно наблюдать форму сигналов. Можно также определить временные соотношения за счет одновременного вывода на экран формы трех разных сигналов, как это делает трехканальный логический анализатор. Эти формы сигналов можно сохранить и позже сравнить с формами сигналов аналогичной заведомо исправной платы. Logic Dart даже сам указывает различия между двумя образцами (см. рис. 7.31).

Рис. 7.31. Прибор Logic Dart фирмы Hewlett-Packard

Осциллографы

Бывают случаи, когда необходима большая информация, чем та, которую может дать логический пробник. Часто вам нужно знать связь между двумя или более логическими сигналами. Лучшим средством демонстрации этой временной связи является осциллограф, который был детально описан в главе 2. Любой осциллограф общего назначения можно использовать при проведении определенных тестов цифровых схем, но некоторые из современных осциллографов имеют возможности, которые делают их особенно полезными для этих целей.

Основная функция, которая необходима в данном случае, это сбор информации по нескольким каналам, хранение форм импульсов и некоторые специальные режимы запуска. На рис. 7.32 показан аналоговый осциллограф с четырьмя входными каналами. Два их этих входов работают во всем диапазоне с избирательной чувствительностью от 10 мВ до 50 В наделение. Два других входа предназначены для использования, прежде всего, как входы логических сигналов с двумя диапазонами чувствительности 0,1 и 0,5 В на деление. Используя пробник 10Х, эти диапазоны можно превратить в 1 и 5 В на деление, что обычно является идеальным для многоканального цифрового отображения информации. Этот осциллограф также обладает уникальной функцией одновременной демонстрации двух статических форм сигнала, даже если они никак не синхронизированы друг с другом. Это очень полезно, если вам нужно наблюдать форму сигналов, но вас не интересуют их временные связи. В этом режиме вход пусковых импульсов автоматически переключается на вход, на который поступают отслеживаемые в настоящее время сигналы. Большинство осциллографов запускаются от одного выбранного источника пусковыx сигналов и будут показывать только формы сигналов, которые синхронизированы с этим источником. Такой осциллограф не может хранить формы сигналов и. следовательно, регистрировать одиночные импульсы, которые редко возникают. Однако аналоговые осциллографы лучше подходят для учета периодически следующих выбросов с малой длительностью, как показано на рис. 7.32.

Рис. 7.32. Аналоговый осциллограф, показывающий регистрируемые выбросы

Цифровой осциллограф с памятью, показанный на рис. 7.33, имеет четыре входных канала и множество различных режимов запуска. Осциллограф с цифровой памятью воспринимает быструю последовательность измерений напряжения на входе и хранит полученные результаты во внутренней памяти в цифровой форме. Эти данные используются для предоставления формы сигналов на экране.

Рис. 7.33. Цифровой осциллограф с памятью, регистрирующий «дребезг» контактов переключателя

Осциллографы с памятью очень эффективны при регистрации последовательности импульсов, которые возникают нерегулярно, и подобные случаи нередки.

Поскольку события, приводящие к возникновению сигналов, не часто случаются в цифровых схемах, чтобы указать осциллографу, что произошло именно критическое событие, на которое он должен отреагировать, необходимы сложные режимы запуска.

Показанный на рисунке осциллограф может отображать информацию, которая была зарегистрирована до, после или и до, и после запускающего события. Другими словами, запускающее событие может произойти справа, слева или в центре развертки. Он также позволяет наблюдать все четыре входных канала и ждать запуска, пока не будет достигнута определенная комбинация логических сигналов.

Оценка таких моментов, как вибрация контактов переключателя (известная как «дребезг» контактов), может быть эффективно выполнена только с помощью осциллографа с памятью. Развертка на экране осциллографа с памятью показывает последствия перемещении тумблера из одного положения (разомкнут) в другое (замкнут). Момент, когда произошло переключение, помещается в центре экрана, что показывает состояние ключа до (логический уровень высокий) и после (переход на низкий) запускающего события. Этот осциллограф может также печатать регистрируемые формы сигналов на принтере компьютера.

Логические анализаторы

В сложных цифровых схемах, особенно в микрокомпьютерных системах, необходимо знать связи между многими различными сигналами. В этой ситуации формы напряжения не так важны, как логические состояния, которые возникают в определенные моменты времени. Логический анализатор — это прибор, который позволяет одновременно собирать и хранить информацию о логическом состоянии по многим каналам (48 и более). Эти замеры выполняются через определенные интервалы времени, которые задаются внутренним источником тактовых импульсов или внешним источником, находящимся в исследуемой схеме.

Логический анализатор, который показан на рис. 7.34, совмещен с персональным компьютером. Он может представлять информацию в виде временных диаграмм или таблицы состояний в двоичном, восьмеричном, шестнадцатеричном виде или в виде символов ASCII. 48 входных каналов подключены через адаптерную приставку, которая подключена к плате внутри компьютера (рис. 7.34).

Рис. 7.34. Логический анализатор на основе персонального компьютера

Другим очень полезным тестовым инструментом для проверки цифровых схем любых типов является специализированный зажим для микросхем, напоминающий бельевые прищепки и выпускаемый в разных модификациях, соответствующих размерам корпусов с двухрядным расположением выводов, чтобы обеспечить контакт с каждым выводом ИМС. Другой конец зажима имеет выводы, к которым удобно подключать пробник осциллографа и т. д.

Многие логические анализаторы снабжены специальными наконечниками для соединения с выводами зажимов, что обеспечивает надежное соединение и предотвращает замыкание между проводами. Различные варианты этих зажимов можно видеть на рис. 7.35.

Рис. 7.35. Зажимы для микросхем

Методы поиска неисправностей логических устройств

После того как вы локализовали неисправность в конкретном модуле или плате, следует идентифицировать неисправный компонент. Здесь снова необходимы знания о правильной работе логической схемы. В некоторых случаях сервисные руководства могут содержать таблицы истинности для всей комбинированной логики схемы. Однако, в большинстве случаев, для того чтобы понять, как должна работать схема, специалист должен анализировать конфигурацию логических элементов.

Цель заключается в том, чтобы выработать набор входных условий, которые могли бы подтвердить, что данная схема работает исправно. Рис. 7.36 возвращает нас к использовавшемуся ранее контроллеру микроволновой печи и будет служить примером проверяемой схемы.

Эта простая логическая схема была предназначена для сохранения работающего состояния микроволновой печи при включенном таймере, закрытой двери и после нажатия кнопки Пуск. Предположим, что была локализована неисправность именно в этой части схемы, при этом у нас никогда не возникает логическая 1 в точке «Соок» («готовить»).

Рис. 7.36. Пример поиска неисправностей в схеме

При работе с микроволновой печью лучше всего начать с отключения магнетрона. Это важно, поскольку вы, может быть, будете искусственно подавать логические сигналы при тестировании. Эти сигналы могут игнорировать встроенные в печь средства безопасности. Вам может помешать или навредить здоровью включение высоковольтных схем, не говоря уже о микроволновом излучении.

Правильный способ отключения высокого напряжения описан в руководстве. Если инструкция отсутствует, то лишний раз удостоверьтесь в том, что во время тестирования схемы не произойдет самопроизвольной активации высокого напряжения. Не работайте с микроволновой печью, если вы не полностью понимаете опасность и не приняли достаточные меры предосторожности. При проникновении внутрь шасси таких высоковольтных устройств вы можете получить сильный ожог даже ни к чему не прикасаясь.

Поместите логический пробник на выход U1A, верхнего элемента И с тремя входами. При закрытой дверце и включенном таймере логический пробник должен показать высокий уровень при нажатии кнопки Пуск и низкий, когда она отпущена. Если реакция именно такая, то U1 работает правильно. Если выход U1А всегда низкий, нужно использовать пробник для проверки правильности логических сигналов, поступающих на входы этой логической ячейки. Установите пробник на вывод 13 U1A и включайте и выключайте таймер. Логический уровень в указанной точке должен изменяться соответствующим образом.

Повторите процедуру с выводом 2, открывая и закрывая дверцу печи. Затем проверьте вывод 1 U1A, нажимая и отпуская кнопку Пуск. Если все эти входы работают правильно, то неисправность может быть связана со схемой U1A. Другой вариант: поломка в U2A может вызывать такую реакцию U1A.

Для определения неисправного компонента можно подключить логический импульсный генератор ко входу U2A (вывод 1), а логический пробник к выводу 3 схемы U2A. Логическая 1 на входе U2 должна давать логическую 1 на выходе. Если выход остается низким, удалите U2 и заново проверьте U1A без U2. Если U1A работает нормально, замените U2, в противном случае замените обе схемы. Компоненты, которые припаяны, обычно заменяют, извлекая их из схемы, единственное исключение — это очень дорогие или труднодоступные детали. Такие компоненты выпаиваются и заменяются только в самом крайнем случае.

Если у вас нет логического импульсного генератора, можно использовать другие методы. Как было указано выше, логический импульсный генератор подает на вход противоположную полярность в течение очень короткого промежутка, порядка нескольких микросекунд. Если даже при этом импульс приводит к перегрузке выходных соединений данного элемента, то это не вызывает повреждений в схеме.

Другой способ выполнения той же операции заключается в использовании конденсатора в качестве импульсного генератора, как это показано на рис. 7.37.

Рис. 7.37. Импульсный генератор с использованием конденсатора

Для этого конденсатор сначала заряжается до логического уровня ВЫСОКИЙ (обычно +5 В), при этом один вывод конденсатора подключен к другому логическому уровню (обычно «земля»). Конденсатор отсоединяется от источника логического уровня ВЫСОКИЙ и подключается к входу, создавая импульс, при этом выполняется контроль выходного сигнала логическим пробником. Можно подать импульс логического уровня НИЗКИЙ, используя тот же метод, но сначала разрядить конденсатор, а затем включить его в схему.

У «специалиста» может возникнуть идея подать высокий или низкий сигнал в схему, быстро подключив Vcc или «землю» к точке схемы с помощью перемычки. В большинстве случаев это плохая идея. Самый короткий промежуток времени, в который может продолжаться ручной способ подачи сигналов составляет от 10 до 100 мс. За это время выходные каскады прибора, подающего входные сигналы на исследуемый элемент, могут выгореть. Это можно делать только в том случае, если вы знаете, что предшествующий элемент может выдерживать подобную перегрузку на выходе в течение около 1 с. Чтобы понять это, вы должны знать внутреннюю структуру микросхемы.

Идеальным примером служит выходной двухтранзисторный каскад обычных схем ТТЛ. На рис. 7.38 показано воздействие заземления на выходные цепи запускающего логического элемента с целью поиска неисправностей.

Рис. 7.38. Эффект от замыкания входов на Vcc или на землю

Предположим, что на выходе логический уровень ВЫСОКИЙ и мы принудительно заземляем выход ИМС. При этом начинает течь ток, превышающий нормальный уровень. Вопрос заключается в том, насколько этот ток больше стандартного. В верхней половине двухтранзисторного каскада предусмотрен резистор, который ограничивает ток через транзистор и диод. Следовательно, для большинства выходных цепей ТТЛ указанная операция окажется безвредной если выход будет заземлен в течение не более доли секунды.

Рассмотрим результат соединения входа тестируемого элемента к источнику +5 В для подачи на него высокого логического уровня. Если запускающая схема пытается подать на выход сигнал с низким уровнем, это соединит +5 В с коллектором насыщенного транзистора в нижней части двухтранзисторного выходного каскада. Через транзистор будет протекать чрезвычайно большой ток. Малогабаритный транзистор почти мгновенно погибнет, пытаясь накоротко соединить источник 5 В с шиной «земля». Следовательно, нельзя предпринимать такой тест, иначе вы разрушите одну микросхему при проверке исправности другой.

Во всех логических приборах есть какой-либо тип полупроводникового переключателя, который используется для соединения выхода с напряжением положительной логики (высоким) или отрицательной логики (низким). Такой тип тестирования нельзя применять, если нет точной информации о том, что схема переключателя может выдержать ток короткого замыкания. В случае КМОП-приборов работающие в качестве буферов детали обычно содержат выходные транзисторы, способные пропускать относительно большие токи. Но, как правило, обычные логические элементы предназначены для запуска входов других КМОП-элементов и содержат очень маломощные транзисторы, которые не могут выдержать такую грубую процедуру тестирования.

Ремонт

Занятие поиском неисправностей на уровне плат или модулей — процедура обычно довольно прямолинейная. Все специфические моменты, как правило, оговариваются в техническом руководстве. Однако, в любом случае, необходимо соблюдать некоторые общие меры предосторожности. Прежде чем извлечь или установить печатную плату, всегда выключайте питание. Обязательно коснитесь шасси оборудования, чтобы снять с себя статический заряд, особенно если вам предстоит работать с элементами МОП. Обращайтесь с платами с такими же предосторожностями, которые рекомендованы для отдельных МОП микросхем.

Когда вы снимаете больше одной платы или отключаете провода от нее, наклеивайте ярлыки на плату и кабели, чтобы гарантировать правильность последующей установки их на место. Большинство изготовителей оборудования преду сматривают ключи на разъемах для предотвращения неправильного подключения. К несчастью, некоторые из них этого не делают, и последствия могут быть катастрофическими.

Извлечение ИМС

После того как был найден неисправный компонент, его следует заменить. В более старых цифровых системах схемы строились на основе почти исключительно интегральных схем в корпусах с двухрядным расположением выводов (DIP).

То, что один компонент имеет 40 или более припаянных к плате выводов, превращает извлечение микросхемы в серьезную задачу. Более того, многие из деталей требуют специальных процедур и инструментов для выравнивания выводов с целью повторной вставки.

Если неисправный компонент установлен в DIP-панельку, благодарите судьбу! Поскольку панельки часто стоят до роже, чем ИМС, кроме того, могут вызывать проблемы с контактами, в большинстве случаев изготовители их не используют. Во многих областях они непрактичны из-за того, что могут вызывать ослабление аналоговых сигналов, также имеют место вибрация или загрязнения.

Извлекая ИМС из гнезда, лучше всего использовать специально предназначенный для этого съемник, пригодный для большинства моделей устройства (рис. 7.39), который может захватить ИМС с обоих концов.

Рис. 7.39. Инструмент для извлечения ИМС

Пользуясь отверткой для извлечения, нужно понемногу и поочередно поддевать ИМС с каждой стороны. В противном случае все выводы согнутся при извлечении. ИМС большего размера сложнее извлечь из-за большего числа выводов. На рис. 7.40 показано устройство извлечения ИМС 0,75 см.

Рис. 7.40. Устройство извлечения ИМС в корпусе DIP

Не пытайтесь вынуть микросхему из панельки пальцами или ногтями. Одна из сторон обязательно выйдет раньше, при этом освободившиеся контакты воткнутся в палец и согнутся. Это еще более существенно, когда вы используете ИМС с малым расстоянием между выводами, например в микросхемах для поверхностного монтажа. На рис. 7.41 показан специальный ручной инструмент, предназначенный для съема ИМС из панельки.

Рис. 7.41. Устройство извлечения ИМС в корпусе PLCC

Любой вариант попытки поднять микросхему с одного конца спровоцирует сгибание каких-либо выводов, что приведет к их замыканию с другими выводами или отсутствию контакта с гнездом.

Если ИМС в корпусе с двурядным расположением выводов припаяна к плате, при ее извлечении нужна особенная аккуратность, чтобы не повредить саму плату. Большинство плат в настоящее время — двусторонние с проводниками из фольги, расположенными на обеих сторонах. Используются также компоненты, у которых дорожки размещены в слоях платы. Отверстия в этих платах представляют собой проводящие трубки, которые соединяют контакты на каждой стороне.

При производстве плат припой проходит по выводу, контактной площадке, в отверстие и часто попадает на контактную площадку на стороне платы, где расположены составляющие. Перед извлечением компонента необходимо удалить весь этот припой с каждого вывода или все паяные соединения должны быть нагреты одновременно.

Основная причина повреждения печатных плат — это перегрев в течение продолжительного времени. Не пользуйтесь паяльником мощностью более 25 Вт при работе с печатными платами. Лучшим в этом случае является карандашный паяльник 12 Вт с острым жалом. Он может казаться маломощным, но работает хорошо. Ключевой момент — надо держать жало паяльника чистым и хорошо залуженным. Замечая образующиеся на кончике жала черные чешуйчатые отложения, соскоблите их отверткой или аналогичным инструментом. Протрите паяльник влажной губкой. Затем нанесите тонкий слой нового припоя на кончик жала. Это единственный способ обеспечить передачу максимального нагрева соединению при пайке.

Второй причиной повреждения является попытка извлечь компонент до того, как удален весь припой. Медные контактные площадки соединены с платой, но не так сильно, как с припоем. В результате контактные площадки из фольги отрываются от платы при удалении ИМС, что еще больше усложняет ремонт.

Один из методов извлечения ИМС: каждый вывод по очереди срезается кусачками, как показано на рис. 7.42, а затем выводы по очереди нагреваются и извлекаются пинцетом. Этот способ часто повреждает контактные площадки из-за усилий, которые прикладываются при выполнении операций.

Рис. 7.42. Извлечение ИМС с помощью срезания выводов

Другой подход заключается в использовании насадки для паяльника, которая предназначена для нагрева сразу всех выводов ИМС с одновременным ее извлечением расположенным с другой стороны платы инструментом. К сожалению, трудно сохранить одинаковый тепловой контакт для равномерного нагрева всех контактов. Области хорошего нагрева немедленно расплавляются, а сегменты с меньшим нагревом иногда не плавятся вовсе. Это также требует достаточно мощного паяльника. В результате приходится держать прибор на плате дольше, чем следует, и чрезмерный нагрев отрывает контактные площадки из фольги от платы.

Возможно, лучшим способом выпаивания ИМС является удаление припоя с каждого вывода перед извлечением микросхемы. Для этих целей выпускаются специальные отпаивающие паяльники с встроенными вакуумными насосами (рис. 7.43).

Рис. 7.43. Станция для удаления припоя

Полый наконечник помещается на вывод микросхемы до тех пор, пока припой полностью не расплавится. Затем включается вакуумный насос, который втягивает припой в накопитель. Основная проблема с этими устройствами заключается в том, что кончик жала должен быть хорошо обработан припоем для приемлемой передачи тепла, и вакуумный канал не должен забиваться припоем. Кроме того, они довольно дорого стоят.

Еще один способ выпаивания ИМС заключается в использовании приспособлений для демонтажа, как показано на рис. 7.44.

Рис. 7.44. Инструменты для удаления припоя

Это устройство снабжено пружинным поршнем, ход которого осуществляется при нажатии на кнопку. С помощью паяльника нагревается соединение около вывода, затем наконечник отсоса помещается на вывод и при нажатии на кнопку припой с платы отсасывается. Этот метод очень эффективен, особенно, если иметь небольшой опыт и терпение. Описываемые приборы полезны для очистки от припоя отверстий в плате после извлечения микросхемы каким-либо способом.

После применения вакуумных методов, некоторое количество припоя может остаться на той стороне платы, где размещаются компоненты, скрепляя вывод микросхемы с контактной площадкой, находящейся под самой ИМС. Удалить его можно с помощью специального шнура. Он представляет собой ленту или оплетку из медных или изготовленных из сплава нитей, которая помещается в нужную точку. Шнур и припой нагреваются паяльником (рис. 7.45).

Рис. 7.45. Использование шнура для удаления припоя

Нужно избегать соблазна взять паяльник большей мощности в целях экономии времени. Шнур можно также использовать и для извлечения оставшегося припоя из отверстий в плате, но он может удалить лишь небольшое количество материала за один раз. Когда шнур насыщается припоем, отрежьте этот кусок и продолжите работу со следующим.

Удалив припой, возьмите пинцет или миниатюрные пассатижи типа «утиный нос» и слегка покачайте каждый вывод в его отверстии со стороны паяных соединений платы, чтобы удостовериться, что он свободен. Когда все выводы освобождены, аккуратно извлеките микросхему, вспомнив какой-либо их описанных методов извлечения ИМС из гнезда. Действуйте осторожно, иначе есть вероятность повредить фольгу. Если возникают трудности с удаление припоя с одного или двух выводов, их можно отрезать, не повредив плату.

Монтаж ИМС

Большинство ИМС поставляются с выводами, которые раздвинуты слегка больше. чем номинальное расстояние для помещения в панельки. Поэтому вставлять ИМС лучше с использованием специального инструмента, как показано на рис. 7.46.

Рис. 7.46. Использование инструмента для вставления ИМС

Попытки загнуть выводы и вставить микросхему вручную могут привести к выходу ее их строя под воздействием статического электричества, но чаще всего при таком способе один или два вывода подгибаются и оказываются под ИМС. Очень часто локализация такого дефекта представляет сложную проблему.

В том случае, когда удаленная ИМС была припаяна к плате, замените ее новой и рассмотрите вариант установки панельки. Если вы предполагаете, что когда-либо придется снова заменять эту микросхему (например, другая неисправность снова выведет из строя только что замененную вами ИМС) имейте в виду, что большинство печатных плат часто не выдерживают повторного выпаивания. С другой стороны, факторами, говорящими против использования панельки, являются менее надежные контакты, вибрация, недостаток пространства.

Повторно выполняя пайку ИМС или панельки, убедитесь, что причиненные плате повреждения исправлены. Если проводящий слой в отверстии нарушен, может быть, необходимо припаивать вывод на каждой стороне платы. Используйте паяльник малой мощности и не держите его на выводе больше пары секунд. Расходуйте припой экономно и следите, чтобы между выводами не возникало перемычек.

Вопросы для самоконтроля

Выберите правильный ответ:

1. Какой из следующих терминов определяется как наука о правильном рассуждении:

а) двоичная система;

б) цифровая система;

в) логика;

г) комбинаторика.

2. В цифровых системах числа представляются в системе счисления:

а) римская;

б) десятичная;

в) восьмеричная;

г) двоичная.

3. Какое из приведенных описаний лучше всего соответствует логической функции И:

а) если вход изменяется или «истина», то выход «истина»;

б) если какой либо вход «истина», то выход «истина»;

в) если «истина» присутствует больше, чем на на одном входе, то выход «истина»;

г) если все входы «ложь», то выход «ложь».

4. Какой тип логических элементов имеет логический низкий уровень на выходе только тогда, когда на всех входах низкий логический уровень:

а) И;

б) ИЛИ;

в) НЕ;

г) И-НЕ.

5. Какая логическая функция дает результат низкий только когда все на входы подается высокий уровень:

а) И;

б) ИЛИ;

в) НЕ;

г) И-НЕ.

6. Схему исключающего ИЛИ можно использовать для:

а) определения, одинаковы ли входные сигналы;

б) избирательного инвертирования или неинвертирования сигнала;

в) определения, есть ли на каком-либо входе логического сигнала высокий;

г) всего указанного выше.

7. Логический сигнал, помеченный READ/WRITE означает:

а) чтение при уровне ВЫСОКИЙ и запись при уровне НИЗКИЙ;

б) только чтение;

в) чтение при уровне НИЗКИЙ и запись при уровне ВЫСОКИЙ;

г) лучше читать, чем писать.

8. Аббревиатура ТТЛ означает:

а) логику проверки практикой;

б) транзисторно-транзисторную логику;

в) логику техасской технологии;

г) полностью транзисторную логику.

9. Первые две цифры в обозначении логических ИМС ТТЛ:

а) 40;

б) 80;

в) 68;

г) 74.

10. Специалист по поиску неисправностей должен ожидать, что все уровни напряжений в схема ТТЛ будут:

а) между 0,4 и 2,4 В постоянного тока;

б) 12В постоянного тока

в) меньше 0,4 и больше 2,4 В постоянного тока;

г) 110 В переменного тока или 0.

11. Выход схем ТТЛ лучше для:

а) отвода тока на землю, чем питания от Vcc;

б) питания от Vcc, чем отвода на землю;

в) включения светодиода при уровне высокий, чем при уровне низкий;

г) подачи сигнала тревоги, чем КМОП.

12. Для подачи логических сигналов в элемент ТТЛ, через который проходит ток, не следует использовать:

а) логический импульсный генератор;

б) выход другого элемента ТТЛ;

в) заряженный конденсатор;

г) провод для замыкания Vcc.

13. Выходы логических элементов должны быть непосредственно соединены вместе только при использовании:

а) двухтранзисторного выходного каскода;

б) выходного каскода с открытым коллектором;

в) выхода КМОП с двумя состояниями;

г) всего перечисленного.

14. КМОП имеет следующее преимущество над ТТЛ:

а) рассеивает меньше энергии;

б) обладает большей гибкостью по отношению к напряжениям источника питания;

в) является меньшей нагрузкой для запускающего элемента;

г) все перечисленное.

15. Основная проблема приборов с программируемой логикой с точки зрения поиска неисправностей заключается в том, что:

а) детали для замены должны быть выпущены тем же изготовителем, что и заменяемые;

б) нельзя использовать справочники для определения правильной работы;

в) технические руководства редко описывают подробности программирования данного устройства;

г) все указанное выше.

16. Большинство небольших и средних логических ИМС выпускаются в:

а) корпусах в двухрядным расположением выводов;

б) корпусах с однорядным расположением выводов;

в) вакуумных стеклянных трубках;

г) корпусах для поверхностного монтажа.

17. Когда схема выходит из строя таким образом, что ток не может течь по заданному пути, эго называется:

а) короткое замыкание;

б) обрыв;

в) замыкание на землю;

г) ничего из перечисленного.

18. Когда сигнал находит альтернативный путь по схеме, это называется:

а) короткое замыкание;

б) обрыв;

в) нагрузка;

г) все перечисленное.

19. Обрыв на входе прибора ТТЛ приводит к тому, что прибор ведет себя:

а) как при замыкании на землю;

б) как генератор;

в) выдает логический уровень высокий;

г) выдает логический уровень низкий;

20. Логическая ИМС ТТЛ с замыканием на выходе:

а) всегда выдает логический уровень высокий

б) всегда выдаст логический уровень низкий

в) «а» или «б»;

г) имеет неопределенное состояние.

21. Поиск неисправностей в схемах с компонентами МОП требует специальных предосторожностей, чтобы избежать:

а) контакта с очень высоким напряжением;

б) электростатического разряда;

в) ожога при контакте с микросхемами;

г) ничего из перечисленного.

22. Для поиска неисправностей в цифровой схеме, как минимум, необходимы:

а) диаграмма поиска неисправностей;

б) описание теории работы;

в) логической схемы;

г) чертежа расположения деталей.

23. Логический элемент ИЛИ с активно низким входом логически эквивалентен:

а) элементу И;

б) элементу ИЛИ;

в) элементу исключающее ИЛИ;

г) элементу И-НЕ.

24. Если логический пробник показывает высокий, низкий, и импульс, то:

а) запрещенное логическое состояние;

б) последовательность прямоугольных импульсов;

в) неисправный пробник;

г) обрыв на входе.

25. Логический анализатор:

а) это просто многоканальный осциллограф

б) записывает логические уровни по многим каналам

в) снимает показания через определенные интервалы

г) оба: «б» и «в».

26. Если нет логического импульсного генератора, вместо него лучше всего использовать:

а) конденсатор;

б) провод с зажимом, подключенный к источнику +5 В или земле;

в) прибор контроля прохождения тока;

г) все перечисленное.

27. Какое средство является наилучшим для удаления припоя с печатных плат:

а) пропановая горелка;

б) паяльник 100–150 Вт;

в) карандашный паяльник 60 Вт;

г) карандашный паяльник 12 Вт.

28. Печатные платы часто повреждаются при ремонте из-за:

а) слишком сильного нагрева фольги;

б) механического напряжения при отрезании выводов ИМС;

в) попыток извлечь деталь, которая не полностью освобождена от припоя;

г) всего перечисленного.

29. Лучшее, что вы можете сделать, для обеспечения успеха при пайке и выпаивании это:

а) использовать паяльник, дающий максимальный нагрев;

б) содержать паяльник в чистоте и луженым;

в) набирать много припоя на жало паяльника;

г) делать все перечисленное.

30. Инструмент для вставления ИМС:

а) направляет выводы точно в гнездо;

б) обеспечивает одинаковый потенциал выводов;

в) обеспечивает равномерное давление на ИМС при вставлении в гнездо;

г) делает все, что указано выше.

Вопросы и проблемы

1. Приведите таблицу истинности для схемы логическое И.

2. Приведите таблицу истинности для схемы логическое ИЛИ.

3. Приведите таблицу истинности для схемы И-НЕ.

4. Приведите таблицу истинности для схемы ИЛИ-НЕ.

5. Приведите таблицу истинности для схемы исключающее ИЛИ.

6. Сравните характеристики рассеяния мощности для схем ТТЛ и КМОП.

7. Назовите три способа определения связи входов и выходов при программировании программируемых логических приборов.

8. Назовите производителя, семейство, подсемейство, тип детали и тип корпуса для прибора с маркировкой DM74S00N.

9. Назовите три возможных причины обрыва на входе логической ИМС.

10. Опишите разницу между признаками обрыва и короткого замыкания.

11. Назовите четыре меры предосторожности, которые предотвращают перегрев компонентов.

12. Дайте определение явлению тиристорного защелкивания в схемах КМОП.

13. Назовите три меры предосторожности, которые вы можете предпринять для предотвращения повреждения ИМС МОП от электростатического разряда.

14. Назовите три способа избежать тиристорного защелкивания в схемах КМОП.

15. Назовите основное преимущество цифрового осциллографа по сравнению с аналоговым.

16. Назовите основное преимущество аналогового осциллографа по сравнению с цифровым.

17. Назовите три меры предосторожности, которые необходимо выполнить при ремонте оборудования.

18. Опишите процесс извлечения ИМС из платы.

19. Опишите процесс очистки паяльника для обеспечения максимальной передачи тепла и качественных паяных соединений.

20. Назовите три причины, по которым применение панельки для интегральной схемы может быть неуместно.

21. Дайте определения отверстиям с гальваническим покрытием в печатных платах.

Глава 8

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ СХЕМ

В главе 7 был дан обзор основных типов логических элементов. Каждый из этих приборов имеет одно стабильное логическое состояние на выходе в ответ на определенную комбинацию входных сигналов. Многие из этих схем можно соединить вместе для построения более сложных комбинационных структур. Но определенное сочетание входных сигналов в известный момент времени всегда дает предсказуемый выходной сигнал 1 или 0.

Логические схемы с памятью, судя по названию, отвечают на входные сигналы различным способом, в зависимости от их предыдущего состояния. Другими словами, они реагируют на последовательность входных сигналов. Это придает другое измерение анализу таких схем, где учитывается время и предыдущее состояние.

В этой главе описаны некоторые типичные логические схемы с памятью, а также методы их тестирования и оценки их действия. Описываются различные элементы, которые используются для построения схем с памятью, а также их применение для построения более сложных схем. Поскольку в данной главе рассматриваются различные приборы и системы, здесь указаны некоторые простейшие способы контроля работоспособности с применением минимума оборудования, а также более сложные методы тестирования. Представленный учебный пример демонстрирует применение схем комбинированной логики и схем с памятью.

Системы счисления

Всем нам хорошо знакомая десятичная система счисления основана на цифрах от 0 до 9. Комбинируя эти значения, мы можем представить бесконечное количество с целью подсчета или различения объектов друг от друга. В цифровых системах также необходимо работать с числами. К сожалению, в двоичной системе только два символа: 0 и 1. Сочетая эти базовые значения, мы также можем представить бесконечное число.

Мы считаем в десятичной системе: от 0 до 9. Для представления следующей величины нам необходимо использовать вторую цифру, расположенную на одну позицию влево, которая представляет собой число, кратное 10, показывающее, сколько раз мы посчитали до десяти (от 0 до 9). Каждый раз, когда мы досчитали от 0 до 9, следующий разряд увеличивается на единицу (инкрементируется), а в младшем разряде опять появляется 0, свидетельствующий о переходе на новый десяток.

Двоичная система счисления работает точно так же. Символы 0 и 1 называются двоичными цифрами, или, для краткости, битами. После того, как последняя значащая цифра становится равной 1, она сбрасывается в 0, а следующий разряд слева инкрементируется, что представляет количество двоек в числе. Следующий разряд слева представляет количество четверок, следующий — восьмерок и т. д. С каждым разрядом число увеличивается вдвое (таб. 8.1).

Сталкиваясь с большими двоичными числами, трудно отслеживать нули и единицы. Один из способов решения этой проблемы заключается в преобразовании двоичных чисел в десятичные с помощью сложения удельного веса разрядов, в которых находятся 1. Например:

8 4 2 1

1 1 0 1 - двоичное = 8 + 4 + 1 = 13 — десятичное

При больших двоичных числах такое преобразование становится сложным и порождает много ошибок. Более простой и распространенный способ представления больших двоичных чисел заключается в их преобразовании в шестнадцатеричную систему счисления.

Шестнадцатеричная система счисления использует 16 символов, поэтому она является системой с основанием 16. Первые 10 символов такие же, как в десятичной системе — от 0 до 9. Остальные 6 символов — это буквы от А до F, представляющие десятичные числа 10–15 соответственно.

Причина привлекательности шестнадцатеричной системы заключается в том, что преобразование чисел между ней и двоичной системами счисления выполняется очень просто. Для преобразования двоичного числа в шестнадцатеричное двоичное число делится на группы по 4 бита, начиная с наименее значимого бита (правого). Каждая группа из 4 битов затем непосредственно преобразуется в эквивалентный шестнадцатеричный символ, как указано в табл. 8.1. Приведенный ниже пример иллюстрирует типичное преобразование.

1010011101 — > 10 1001 1101 —> 29D

Шестнадцатеричная система счисления не меняет того факта, что цифровые системы работают с двоичными числами. Она просто упрощает нам обращение со значениями в двоичной системе. Гораздо проще использовать число 29D, чем 1010011101, при этом оба они представляют ту же величину. Более подробно с системами счисления и преобразованиями между ними вы можете познакомиться в любом из многих популярных изданий.

Комбинационные логические приборы

Базовые элементы, которые были рассмотрены в главе 7, используются для построения более сложных комбинационных логических приборов, имеющих самую разную структуру, каждая их которых обладает собственными свойствами. Рассмотрим некоторые наиболее популярные и распространенные типы ИМС комбинационной логики.

Дешифраторы

Комбинационные приборы чаще всего выступают в качестве дешифраторов и шифраторов. Декодирование можно рассматривать как выявление соответствующего некоему условию входного двоичного сигнала с соответствующей реакцией на выходе. На рис. 8.1 показан элемент И-НЕ с четырьмя входами, который используется для декодирования величины 0В шестнадцатеричное (1011 двоичное).

Рис. 8.1. Декодирование шестнадцатеричного числа ОВ

Выход этой схемы имеет уровень НИЗКИЙ только тогда, когда на его входах формируется двоичное число 1011 (шестнадцатеричное 0В). Любая другая комбинация битов на входах дает на выходе логический уровень ВЫСОКИЙ.

Множество типов дешифраторов с различными функциональными возможностями выпускаются в корпусах ИС. Очень популярен дешифратор «три на восемь» 74138 с двоичным входом на три разряда и 8 отдельных выходов с активным низким уровнем, а также три разрешающих входа, которые должны быть активированы для работы схемы (рис. 8.2).

Рис. 8.2. Дешифратор три на восемь 74138

Таблица истинности показывает, что для получения уровня НИЗКИЙ на выходе, G1 должен иметь высокий уровень, а G2A и G2B — низкий уровень. Это разрешающие входы. Двоичные величины, поданные на входы А, В, С определяют, на каком именно выходе будет низкий уровень. Другими словами, каждый выход «декодирует» или обнаруживает определенное входное число. Эти дешифраторы используются для выбора одного из группы до восьми приборов, каждый из которых представлен трехбитовым двоичным числом.

Процедура оценки работоспособности дешифратора при поиске неисправностей будет различной в зависимости от системы, в которой он задействован. Если система постоянно использует входы дешифратора, то можно достаточно просто определить, работает ли дешифратор. С помощью логического пробника убедитесь, что разрешающие входы находятся в активном состоянии. Для схемы 74138 G1 должен иметь высокий уровень, G2A и G2B — низкий уровень. Затем с помощью пробника определите логические уровни на входах А, В, С. После этого с помощью логического пробника проверьте уровень на соответствующем выходе схемы. Этот процесс можно повторить для каждого состояния входов прибора.

Если какой-либо тест дал отрицательный результат, вы должны определить, возникла ли проблема в дешифраторе или в схемах, с которыми он соединен.

Варианты:

1. Микросхема находится в панельке. В этом случае извлеките ее, загните вывод того выхода, где предполагается проблема, и снова вставьте микросхему на место. Затем проверьте выходной сигнал на загнутом выводе. Если сигнал все еще неправильный, замените ИМС.

2. Микросхема припаяна. Для изолирования выхода от других схем вы можете или отрезать вывод, или перерезать фольгу на плате. Многие цифровые системы не дают статического набора входных сигналов на дешифратор. Задача дешифратора обычно заключается в том. чтобы ждать нужного состояния быстро изменяющихся входных сигналов, и реагировать только после этого. В этом случае, для одновременного наблюдения всех сигналов лучше всего использовать логический анализатор. Если какого-либо сигнала нет, можно выполнить некоторые другие тесты. Когда на выходе не появляется низкий логический уровень, это может быть следствием трех факторов:

♦ на входах не возникает необходимого состояния, чтобы выход имел низкий уровень;

♦ микросхема неисправна;

♦ расположенные на выходе схемы всегда удерживают выход на высоком уровне.

Чтобы удостовериться в поступлении всех входных сигналов, можно поместить исправную микросхему на исследуемую и отогнуть проверяемый вывод установленной сверху микросхемы (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Способ проверки дешифратора с помощью помещения поверх него исправной микросхемы

Вам придется несколько загнуть выводы, чтобы обеспечить хороший контакт. Если выход новой микросхемы активируется, значит, входы работают нормально. Затем проверьте выходные сигналы при статических сигналах на входах (см. выше). Рис. 8.4 показывает полную диаграмму поиска неисправностей для локализации проблем дешифратора.

Рис. 8.4. Диаграмма поиска неисправностей дешифратора

Шифраторы

Шифраторы используются для генерации двоичного числа по какому-либо единичному событию, например нажатию клавиши. Некоторые шифраторы представляют собой простые комбинированные логические схемы, другие являются очень сложными цифровыми схемами, которые просматривают матрицу входов и вырабатывают двоичный выходной сигнал, отражающий нажатие клавиши. Схема 74922 принадлежит к последнему типу. Она использует матрицу клавиатуры 4x4, как показано на рис. 8.5.

Рис. 8.5. Диаграмма поиска неисправностей дешифратора

Схема 74922 представляет собой генератор синхроимпульсов, счетчик и дешифратор, которые сканируют клавиатуру, находя нажатые клавиши и преобразуя это событие в определенный двоичный код. Когда происходит нажатие клавиши, ИС переводит линию DAV в высокое состояние, показывая, что поступили данные.

Если на выходе 74922 неправильный выходной сигнал, это может быть следствием:

♦ отсутствия сигнала разрешения;

♦ неисправной схемы 74922;

♦ неисправных периферийных компонентов;

♦ неисправных схем. подключенных к выходу.

На рис. 8.6 представлены некоторые этапы поиска неисправностей, связанных со схемой 74922. Цель заключается в устранении возможных причин. Проверка генератора определяет, работает ли С1, и дает нам возможность понять, что часть схемы функционирует.

Рис. 8.6. Диаграмма поиска неисправностей для 74922

Для проверки генератора поместите щуп осциллографа на конденсатор С1. Если генератор работает, конденсатор будет циклически заряжаться и разряжаться. В противном случае микросхема или конденсатор неисправны. Можно проверить и конденсатор генератора и конденсатор защиты от дребезга контактов с помощью омметра, а затем шунтировав их исправным конденсатором. Если в конденсаторе обрыв, схема начнет работать, тогда его следует заменить. Этот прибор сканирует клавиатуру, подавая логический сигнал низкого уровня на каждый столбец но очереди. Если генератор работает, но на линии сканирования не поступают сигналы, ИС может быть неисправна.

Как показывает этот пример, самой важной предпосылкой локализации неисправностей является правильное понимание роли каждого компонента и смысла каждого сигнала.

Логические устройства с памятью

Большинство систем, которые мы считаем цифровыми: будильник, компьютер, схемы памяти ЭВМ изготовлены из логических устройств с памятью. Выход этих схем определяется входным током, а также предыдущим состоянием выходов. Для того чтобы понять работу этих систем, мы рассмотрим основные элементы построения схем с памятью.

Асинхронные RS-триггеры

Основным строительным блоком логических устройств с запоминанием является RS-триггер-защелка. Защелка может быть выполнена из двух элементов И-НЕ, выходы которых перекрестно соединены с входами друг друга, как показано на рис. 8.7.

Рис. 8.7. RS (set/reset) — триггер-защелка с активным низким уровнем входного сигнала

Отличительной особенностью схем с памятью и комбинационных схем является наличие обратной связи с выхода на вход. Это приводит к зависимости выхода от текущего состояния выхода.

Защелка RS имеет нормальное состояние входов: ВЫСОКИЙ, а два выхода всегда должны иметь противоположные состояния. Если на вход Set (Установить) подается низкий уровень, выход Q имеет уровень ВЫСОКИЙ. Если на выход Reset (Сброс) подастся низкий уровень, выход Q имеет уровень НИЗКИЙ. Когда оба входа — Set и Reset — имеют логический уровень ВЫСОКИЙ, выход защелки остается в том же состоянии, что был до этого.

Типичная область применения такой схемы — в системах подачи тревожного сигнала, как показано на рис. 8.8.

Рис. 8.8. Схема защелки для подачи сигнала тревоги при превышении уровня тепла

В этом случае два входа будут в нормальном состоянии иметь уровень ВЫСОКИЙ, что показывает состоянии «без изменений». Предположим, что тревожный выход изначально находится в состоянии НИЗКИЙ (нет сигнала тревоги). Когда чувствительный к температуре переключатель регистрирует тепло, превышающее его порог срабатывания, переключатель замыкается, подавая низкий уровень на вход защелки Set. Это переводит состояние выхода подачи тревожного сигнала на высокий уровень. Даже если температура снизится и переключатель разомкнется, сигнал тревоги будет продолжаться, поскольку последнее состояние было Set, а текущее состояние означает «нет изменений». Тревогу можно отключить только при нажатии оператором кнопки Reset.

Очень популярным вариантом использования схем с памятью является хранение двоичных чисел. Эти приборы часто называют регистрами, или запоминающими устройствами. Защелка D — один из типов элементов, являющихся основой построения регистров.

Как вы можете видеть на рис. 8.9, регистр выполнен на основе RS-защелки, чьи входы все время имеют противоположный уровень. Единственный случай, при котором может измениться статус выходного сигнала, это когда вход разрешения имеет высокий уровень. При этом выход всегда такой же, как и D-вход. Это часто называют прозрачным режимом. Когда на входе разрешения вновь установится низкий уровень, установившийся на Q уровень будет сохраняться даже при изменении входа D. Схема запомнила, или «защелкнула» заданную величину.

Рис. 8.9. D-защелка

Синхронные триггеры

Триггеры представляют собой защелки, которые могут изменять выход только при изменении сигнала на тактовом входе с одного уровня на другой. Чтобы отличить синхронные триггеры от асинхронных защелок, этот вход называют входом синхронизации. Системные часы представляют собой генератор прямоугольных импульсов, который определяет точное время, когда должно измениться состояние триггера.

Синхронный D-триггер работает, как и D-защелка, но он передает сигнал с входа на выход только во время прохождения тактового синхроимпульса. Триггеры обычно имеют также и набор асинхронных входов, которые называются Preset (Установка) и Clear (Сброс). Они называются асинхронными входами, поскольку выход отвечает на сигналы на этих входах в любое время, когда они активируются, независимо от входа синхронизации (рис. 8.10).

Рис. 8.10. D-триггер и его таблица истинности

JK-триггер похож на асинхронный RS-триггер-защелку. Вход J можно рассматривать как вход Set с активным высоким уровнем, а вход К как вход Reset с активным высоким уровнем. Кружок на входе синхронизации JK-триггера 7476, показанного на рис. 8.11 означает, что этот прибор срабатывает по отрицательному фронту. Выходы изменяются, когда уровень синхроимпульса переходит с высокого на низкий.

Рис. 8.11. JK-триггер и его временные диаграммы

Основное дополнение в JK-триггере заключается в том, что входы J и К могут активироваться одновременно. В этом режиме, называемым счетным, происходит переключение выхода при поступлении каждого синхроимпульса. Этот триггер также имеет асинхронные входы установки и сброса.

Счетчики

Режим переключения JK-триггера используется для построения счетных схем. Рассмотрим триггерную схему, показанную на рис. 8.12. Каждый выход Q используется для запуска входа синхронизации следующего триггера. На временной диаграмме обратите внимание на то, что каждый триггер переключается, когда предыдущий триггер изменяет состояние выхода с высокого на низкий.

Поскольку каждый триггер реагирует на изменение выхода предыдущего элемента, это соединение называется счетчиком со сквозным переносом.

Рис. 8.12. Использование JK-триггера для деления частоты синхроимпульсов

Заметьте, что максимальное количество состояний зависит от числа триггеров. Имеет место следующее соотношение:

Максимальное количество состояний = 2n, где n — количество триггеров.

Часто желательно изменить последовательность переключений, чтобы считать число состояний меньшее, чем максимальное. Наиболее распространенные счетчики работают в десятичной системе с 10 состояниями в каждом разряде. Построить подобный счетчик можно, как показано на рис. 8.13.

Рис. 8.13. Четырехразрядный десятичный счетчик

Триггер работает, как и обычный двоичный счетчик, до тех пор, пока число синхроимпульсов не превысит 9. Когда на выходе появляется число 1010, дешифратор опознает его и запускает линию сброса сигналом низкого уровня, что сразу сбрасывает выходное число с 1010 в 0000.

Счетчики можно также покаскадно соединять друг с другом. Например, для того чтобы сосчитать число минут от 0 до 59, цифровые часы должны иметь 2 счетчика. Первый считает от 0 до 9 (имеет десять состояний), после чего он снова сбрасывается в 0, самый старший разряд дает отрицательный фронт для инкрементирования второго счетчика. Второй счетчик считает от 0 до 5 (шесть состояний). В результате получается счетчик, который считает от 0 до 59 (шестьдесят состояний), как показано на рис. 8.14.

Рис. 8.14. Счетчик BCD, который считает от 0 до 59

В некоторые счетчики можно предварительно загрузить заданную величину, чтобы они считали от нее, возрастая до максимума, или убывая до минимума. Максимальную или минимальную величину часто называют конечным отсчетом, при достижении которого может происходить дешифрация этого события и повторная загрузка для начала следующего цикла. Например, счетчик может регистрировать количество объектов, которые находятся в коробке, емкостью 12 объектов. В счетчик записывается числом 1100 (двоичное) 12 при загрузке каждого объекта счетчик уменьшается на единицу. Когда счетчик достигает 0, дешифратор выдает импульс — сигнал для замены полной коробки на пустую.

Регистры сдвига

Регистры сдвига состоят из триггеров, которые соединяются для передачи информации от одного триггера другому, как показано на рис. 8.15. Регистры сдвига синхронизируются общим источником синхросигналов. Когда поступает активный фронт синхросигнала, установленное на последовательном входе число записывается в первый триггер. Предыдущее содержимое этого триггера записывается в следующий регистр и т. д. Диаграмма времени и график состояний на рис. 8.15 демонстрируют пример того, как исходное содержимое регистра 1101 сдвигается через QD, бит за битом. При этом новые последовательные данные (1100) поступают на QA через последовательный вход.

Рис. 8.15. Регистр сдвига на D-триггерах

Регистры сдвига можно соединить параллельно, аналогично счетчикам. Это полезно для преобразования параллельной формы представления двоичного числа (когда каждый вывод микросхемы соответствует определенному разряду) в последовательную форму, например, в последовательность импульсов, которую можно передать по одному проводу. На другом конце кабеля последовательные данные снова поступают в регистр, и из него считывается параллельная величина (рис. 8.16).

Рис. 8.16. Преобразования параллельных данных в последовательные и наоборот

Форма сигналов с временными характеристиками, приведенная на рис. 8.16, показывает распространенный формат асинхронной передачи данных. Асинхронная передача означает, что передатчик может послать символ в любое время. Передача такого рода может быть осуществлена по одной паре витых проводов: один провод для сигнала, другой — для земли. Стартовый бит необходим для оповещения приемника о предстоящей передаче данных.

Между передачами линия считается незанятой и всегда находится в состоянии логической 1. Стоповый бит обеспечивает, по крайней мере, время передачи 1 бита в незанятом режиме между символами.

Между стартовым и стоповым битом данные сдвигаются по одному биту, начиная с наименьшего.

Микросхемы, которые используются для последовательной передачи данных, представляют собой универсальные приемопередатчики. Эти приборы содержат отдельные регистры сдвига и все остальные схемы, которые необходимы для добавления стартовых и стоповых битов и координации работы.

Уровень сигналов ТТЛ (5 В) плохо подходит для передачи по длинным кабелям. Поэтому входные и выходные сигналы типичного приемо-передатчика проходят через схемы преобразования уровня ТТЛ (+5 В и земля) в +12 В и -12 В для логического 0 и 1, и, соответственно, наоборот.

Для передачи сигналов на большие расстояния и для повышения помехоустойчивости, например, на телефонной линии, логические сигналы необходимо промодулировать высокой частотой. Эту работу выполняет модем (сокращение от модулятор/демодулятор). Скорость передачи данных измеряется в бодах и представляет собой количество передаваемых в секунду бит. Сервисное обслуживание систем последовательной передачи данных часто включает тестирование целостности линии и правильного соединения приемника и передатчика.

Если сигнал не поступает, необходимо провести диагностику неисправности с помощью осциллографа для прослеживания сигнала между различными каскадами передатчика. Другой способ убедиться в том, что кабель и приемник работают нормально, заключается в замене передатчика на заведомо исправное или тестовое устройство, которое обычно выдает закодированные символы ASCII, например буквы от А до Z.

Сигналы в компьютерной системе связи университета Пурдю (Purdue) часто передаются по кабелю на несколько километров, через множество соединительных устройств и коммутационных панелей. Часто возникают проблемы в линиях. Был разработан специальный инструмент поиска неисправностей при последовательной передаче для идентификации проблемы и тестирования системы. Этот диагностический блок может передавать и принимать последовательные данные, выводя их на жидкокристаллический экран. Он может также провести полное тестирование кабелей. Для использования функции тестирования проводки специалист подключает набор диодов к одному концу кабеля, а тестовый прибор — к другому концу. Прибор посылает импульсы по каждому проводу и регистрирует сигналы, возвращающиеся по другим проводам. Оценивая ответный сигнал, тестовый прибор определяет наличие в каждом проводе обрывов, короткого замыкания и неправильного подключения к терминалам.

Сервисное обслуживание триггерных схем

Выпускается множество ИМС для построения счетчиков, регистров и регистров сдвига. Все эти схемы используют триггеры. При поиске неисправностей сначала определите, получает ли схема правильные синхроимпульсы. Убедитесь в том, что асинхронные выходы (установка, сброс, загрузка), которые не зависят от синхросигналов, не активируются постоянным несоответствующим или ложным сигналом. Для этой цели хорошо подходит импульсная функция логического пробника. Если хотя бы один разряд не работает, следует определить, исправна ли запускающая схема и нет ли на входе загрузки постоянного высокого или низкого уровня.

Для определения правильности работы схемы с памятью необходимо установить должную последовательность состояний. Если она не указана в сервисном руководстве, прилагаемом к прибору, специалисту нужно проанализировать триггерную схему, чтобы предсказать эту последовательность. Можно построить таблицу соответствия текущего и следующего состояния, в которой будут отображены все возможные комбинации состояний на всех выходах. В схемах с памятью выходы обычно логически комбинируются с другими логическими сигналами и подаются на входы триггеров. Оценивая комбинационную логику, можно определить текущие состояния входов каждого триггера. Если это известно, всегда можно предсказать следующее состояние (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Чертеж и таблица для анализа схемы привода шагового двигателя

Специалист может использовать подобную таблицу для определения правильности сигналов на входе, сравнивая данные с результатами своих измерений. Если они отличаются, то неисправна комбинационная схема. Когда результаты измерений соответствуют таблице, то может быть неисправна триггерная схема.

Логический пробник поможет определить, что данный выход ИС вообще не изменяется. Но как узнать, происходит ли это из-за неисправности в данной ИС, или же из-за того, что не подаются надлежащие входные сигналы? Выход может зависеть от одновременного состояния четырех или более входов. Если состояния входов меняются быстро, для оценки их работоспособности обычно необходимо специальное тестовое оборудование. Логический анализатор является прекрасным средством отображения реальных временных соотношений в логической схеме. К сожалению, установка и подключение логического анализатора требуют много времени, и он не всегда доступен вследствие высокой стоимости. Многоканальные осциллографы также очень полезны, но обычно ограничиваются отслеживанием четырех сигналов и имеют недостаточное количество условий запуска.

Формы цифровых сигналов

Во многих учебниках и справочных пособиях по цифровой технике логические сигналы изображаются в виде идеальных прямоугольных импульсов с красивыми ровными уровнями и мгновенным фронтом. Высокие и низкие уровни реальных импульсов очень часто испытывают воздействие и других сигналов (рис. 8.18).

Рис. 8.18. Пример формы цифрового сигнала

Физически невозможно мгновенно изменить уровень сигнала с 0 до 5 В. Для этого требуется бесконечно большая мощность. Время, затрачиваемое для перехода от одного уровня к другому, зависит от прибора, который генерирует импульсы, и от реакции (в основном, емкостной) нагрузочной схемы. Количество «мусора», или паразитных колебаний, которое будет наблюдаться на уровнях сигнала, зависит от быстродействия схемы и близости прохождения других сигналов. До тех пор, пока импульсные помехи не превысят логические уровни, схема будет работать хорошо.

Имейте также в виду, что с помощью осциллографа для наблюдения форм непериодического сигнала, вы не сможете получить статичную картинку. Другой важный момент касается источника запуска осциллографа. Если для запуска используется младший бит, это может вызвать расплывчатое изображение или стабильное, но некорректное изображение формы сигнала.

Пример сервисного обслуживания последовательной цифровой схемы

Мы рассмотрим типичный прибор — высокоскоростное устройство тиражирования аудиозаписей на магнитной ленте, изготовленное фирмой Telex Communications Inc., похож на другие цифровые схемы и может послужить примером методики сервисного обслуживания цифровых систем.

Прежде всего необходимо понять, каковы критерии нормальной работы прибора. Руководство пользователя часто дает всю необходимую информацию К счастью, фирма Telex предлагает технические инструкции по очень разумной цене.

Этот раздел даст вам представление о том, какая информация содержится в техническом руководстве. Мы также увидим, как цифровые схемы работают вместе в небольшой системе и научимся тому, что необходимо сделать для локализации неисправности в схеме.

Следующие два абзаца взяты из первой части руководства фирмы Telex, чтобы познакомить вас с прибором.

Copyette (TM) 1 &3 Telex представляет собой двуканальное двудорожечное монофоническое устройство тиражирования аудиозаписей на магнитной ленте, выполненное не базе полупроводниковых электронных приборов, размещенных на съемной модульной плате из стеклотекстолита. Это легкий, переносной настольный прибор, предназначенный для высокоскоростного копирования. Устройство может выполнять три копии с оригинала. Copyette 1&3 дублирует кассеты С-60 с длительностью записи на каждой стороне 30 мин за один проход менее чем за две минуты. Запуск осуществляется нажатием на кнопку Cycle.

Лентопротяжный механизм, который питается от сети переменного тока и потребляет не более 60 Вт, содержит два двигателя и приспособление для верхней загрузки кассет, расположенных в прочном пластмассовом корпусе. Перемещение ленты обеспечивается двигателем постоянного тока с электронным управлением. Нажатие кнопки Cycle подает питание на все четыре лентопротяжных устройства одновременно. На лентопротяжном механизме ORIGINAL воспроизводится кассета, а другие осуществляют запись на свободные магнитные ленты. Операция продолжается до тех пор, пока на приспособлении ORIGINAL не будет обнаружен конец ленты, после чего лентопротяжный механизм останавливается. После чего Copyette 1&3 переходит в режим ожидания».

Отметим, что в рабочем цикле устройства 4 состояния:

1. Ожидание.

2. Начальная перемотка перед копированием.

3. Копирование.

4. Перемотка всех четырех лент.

Следующий раздел сервисного руководства называется «Теория работы». Он описывает схемы, электропитания, звуковые усилители, предусилители воспроизведения, систему управления двигателем и схемы управления протяжкой ленты. Поскольку эта глава касается поиска неисправностей в цифровых схемах, мы рассмотрим только последние схемы. При чтении раздела о теории работы схемы, необходимо обратится к изображениям (рис. 8.19).

1. Емкость всех конденсаторов приведена в микрофарадах, если не указано иначе.

2. Сопротивление резисторов указано в Омах, рассеиваемая мощность 0.25 Вт ± 5 %. если не указано иначе.

3. Все напряжения — это напряжения постоянного тока, измеренные с помощью вольтметра с высоким импедансом относительно земли.

4. Все напряжения типовые и могут незначительно отличаться вследствие допусков элементов схемы.

5. СМ — двигатель вращения вала, РМ — двигатель позиционирования.

6. Эта схема может изменяться при модернизации устройства.

Рис. 8.19. Схема цепей устройства Copyette 1&3

«Все режимы работы Copyette 1 &3 задаются счетчиком и соответствующей логикой дешифратора. Счетчик U2 (4013) представляет собой сдвоенный D-триггер. Этот счетчик с делением на 2 может выдавать четыре различных двоичных состояния (соответствующие четырем состояниям процесса копирования). Когда на Copyette 1&3 подается питание, логические схемы переходят в состояние ожидания (U4A и сопутствующими компонентами). Интерфейс Copyette 1&3 позволяет при нажатии кнопки переходить сразу к следующему циклу, независимо от текущего состояния. Кроме того, для схемы позиционирования головки необходима определенная логика. При включении питания устройство проверяет положение головки, чтобы определить, в каком режиме находится механика (с помощью оптических датчиков положения ED5 и ED6). Для соответствия требованиям режима ожидания прижимной ролик и скоба головки должны быть отведены назад. Соответствующий датчик ED5 формирует сигнал выключения (логический уровень низкий на Р7-5.

Каждый накопитель снабжен схемой регистрации конца ленты, которая состоит из оптрона инфракрасного излучения с открытым каналом IR. Отражающий элемент прикреплен к валу, схема формирования сигнала окончания ленты состоит из двух элементов И-НЕ (часть U5, U6) и RC элемента задания постоянной времени (C4-R15, C5-R18, C8-R22, C9-R25). Отражающий элемент расположен не вокруг всего вала, поэтому отражение любого падающего света во время вращения прерывистое. Каждая оптоэлектронная пара IR настроена так, чтобы отражать и принимать излучение во время вращения вала. Рабочие напряжения и формы сигналов приведены на рис. 8.20.

Выход всех четырех схем EOT подается через входные диоды (CR3, 4, 7, 8), катоды которых соединены вместе. Любой переход уровня высокий-низкий на катодах диодов оказывает такое же воздействие, как нажатие кнопки Cycle: устройство переходит к следующей операции. Например, если машина находится в состоянии перемотки перед копированием, переход ВЫСОКИЙ-НИЗКИЙ на линии означает, что во всех накопителях перемотка закончилась и можно начинать копирование. Однако можно заметить, что когда устройство находится в режиме копирования, следующая операция (перемотка после копирования) начинается, когда прекращает движение лента в накопителе ORIGINAL, даже если одна или более лент, на которые производится копирование, все еще движется. В режиме копирования схема обнаружения конца ленты для всех накопителей отключается высоким логическим уровнем на выводе 4U4. Причина заключается в том, что просто нет необходимости продолжать копирование».

Рис. 8.20. Схемы для поиска неисправностей из сервисного руководства фирмы Telex

Чтобы помочь вам понять работу схемы, необходимо привести следующие пояснения. Copyette 1&3 механически определяет направление, в котором вращается лента и положение головок и ролика, перемещая направляющий винт полностью по часовой стрелке (головки в действии) или против часовой стрелки (головки убраны). Двигатель, который приводит в действие этот направляющий винт, показан в дальней части правой стороны схемы и называется позиционирующим двигателем (РМ). Рабочее положение служит для копирования (вал вращается вперед). Положение с убранными головками используется для всех остальных режимов работы (при перемотке вал вращается в обратном направлении). Обратите внимание, что транзисторы привода двигателя управляются элементами комбинированной логики U3B, U4C, U3D, которые используются для декодирования состояния счетной схемы и регистрируют механическое положение.

Это сервисное руководство детально описывает правильную работу системы. На рис. 8.20 показана страница из руководства, которая содержит три полезных таблицы. Первая дает логические уровни для каждого из основных элементов при грех активных режимах работы. Вторая (3.4) определяет логические состояния U2 для каждого режима. Третья (3.5) показывает типичные формы сигналов в контрольных точках схемы.

Если в сервисном руководстве содержится подобная информация, это может оказать серьезную помощь для быстрой локализации проблемы. Иначе специалист должен восстановить значительную часть ее с помощью тщательного анализа схемы. В любом случае мастер обязан понимать, каковы должны быть правильные логические уровни сигналов, прежде чем измерять их реальные значения.

Важно также, чтобы специалист понимал условия и предпосылки, при которых нормальные логические уровни должны действовать. В этом примере это «статические» уровни. Это означает, что они корректны, когда устройство работает должным образом в заданном режиме. Они некорректны для периода изменения состояний. Например, когда двигатель, определяющий положение постоянно возникают у первого и редко в присутствии второго. Когда в устройстве возникает неисправность такого рода, это выражается в следующем. После полной перемотки всех лент двигатель, как всегда, меняет скорость, но затем двигатель позиционирования лишь слегка перемещает головки, в то время как по правилам головки должны полностью выходить. Следует обратить внимание на еще подозрительные факторы. Когда во время копирования ролик не вращается, кнопка Cycle не переходит к следующему состоянию и кажется, что-то перегревается, пора обратиться к специалисту (табл. 8.2).

Таблица 8.2. Схема поиска неисправностей для Copyette 1&3

Симптом ∙ Возможная причина

1. Переключатель включен, нет питания

а) сетевой предохранитель;

б) выключатель S2;

в) питание

2. В режиме копирования лента не движется, валы не вращаются

а) проскальзывает ремень привода

б) проверьте:

— выключатель S2;

— схему привода двигателя;

— регулировку скорости двигателя

3. В режиме копирования нет движения ленты, валы вращаются

а) заклинивание кассеты

б) заедание вала

в) слабая или сломанная пружина.

4. Скоба ролика прижатия головок не выдвигается до конца

а) В+;

б) механизм прижима ролика;

в) транзисторы Q9, Q10

5. Скоба ролика прижатия головок не возвращается до конца

а) В+;

б) схему управления перемотки;

в) транзисторы Q9, Q10

6. Чрезмерный шум и вибрация

а) заедание кассеты;

б) ролик и/или тонвал засорены;

в) подшипник тонвала грязный или засорен;

г) засорен подшипник вала

7. Лента движется, но копирования не происходит или оно плохое

а) грязная или неисправная головка;

б) намагничена головка или тонвал;

в) плохое качество оригинала;

г) сломаны или отсоединены провода головки;

д) проверьте:

— ориентировку головки;

— уровень записи:

— смещение головки записи;

— аудиоплату В+

8. Копирование происходит на неправильную дорожку

а) неправильное подключение головки

9. Двигатель работает, но не поддерживает скорость

а) ремень привода;

б) потенциометр R2;

в) схему управления двигателя

10. Двигатель работает, но не поддерживает скорость перемотки

а) потенциометр R10;

б) транзистор Q4

Поскольку вышеописанная неисправность возникает непостоянно, причины перегрева можно исключить. Для начала мы тестируем источник питания В+ и отмечаем, что он работает нормально. Проверяем транзисторы Q9 и Q10 с помощью омметра, они также в порядке. Проверим схему привода копирования.

Первое, что мы должны сделать, — это использовать наши органы чувств, как описано в главе 1. Некоторые из мощных резисторов (0,5–1 Вт) окрасили плату под собой в коричневый цвет. В этом нет ничего необычного. Область вокруг диода CR23 тоже выглядит странно, но быстрый тест с помощью функции проверки диода цифрового вольтметра показывает, что он исправен. В режиме работы без нагрузки никакие детали не нагреваются слишком сильно.

В соответствии с признаками кажется, что в режиме копирования имеют место две неполадки. Головки не выдвигаются, и кнопка Cycle не работает. На основании этих фактов необходимо принять решение о том, с чего начать поиск проблемы. Специалист должен сформулировать гипотезу, которая соответствует фактам и может, выявить источник неприятностей.

Рассмотрим следующую гипотезу: возможно из-за того, что кнопка Cycle не работает, счетчик работает неправильно и в результате двигатель позиционирования головок не выдвигает их. К несчастью, поскольку двигатель позиционирования не полностью выдвигает головки, в режиме копирования статические диаграммы неприменимы. Мы должны полагаться на наше понимание структуры компонентов схемы, чтобы решить, работают ли они правильно.

Сначала в режиме ожидания мы используем логический пробник для проверки состояния счетчика (U2). Выводы 2, 12 и 13 имеют соответственно значение 1, 1 и 0, как описано в табл. 3.4 на рис. 8.20. Мы помещаем логический пробник на вход синхронизации — вывод 3 ИС U2 — и нажимаем кнопку Cycle, после чего сразу же активируется индикатор импульса, чтобы затем через несколько секунд загореться снова, когда двигатель пленки поменяет скорость. До сих пор работа идет как надо. Дальнейшие попытки нажать кнопку Cycle не вызывают появления импульсов на этом входе. Он всегда имеет уровень ВЫСОКИЙ. Отслеживая прохождение сигнала назад, мы помещаем пробник на вывод 9 схемы U3A. На этом выводе импульс появляется каждый раз, когда мы нажимаем кнопку Cycle. Однако вывод 8 этой ИС имеет уровень НИЗКИЙ, что не позволяет импульсам проходить через схему И НЕ. Проверив выходы счетчика в этом состоянии, мы обнаруживаем, что они правильно работают в режиме копирования (выводы 2, 12, 13 имеют значение 1,0, 1 соответственно). Дальнейший анализ показывает, что в режиме копирования, для того чтобы запустить U3A, по меньшей мере, один из роликов ленты должен вращаться. Это означает, что наша первая гипотеза была неправильной. Кнопка Cycle не работает потому, что механизм позиционирования головок не выдвигает их, а не наоборот, как мы предположили.

Неисправность, как теперь кажется, находится между счетчиком и двигателем позиционирования. Счетчик работает правильно, но не может пройти вперед из-за того, что ролики не вращаются. Ролики не вращаются, поскольку головки не выходят вперед. Мы готовы выдвинуть гипотезу 2: проблема в схеме, которая запускает двигатель позиционирования.

В качестве средства запуска двигателя схема указывает Q6, Q7 и Q10. Исследуя U3D должна активировать эти компоненты запуска двигателя, когда датчик положения ED6 указывает, что сейчас головки не выдвинуты (то есть имеет место высокий логический уровень), а счётчик указывает, что текущий режим работы — копирование (высокий уровень на выводе 4 U4). Наш логический пробник показывает, что выводы 12 и 13 ИС U3D имеют высокий уровень, а вывод 11 — низкий. Позиционирующий двигатель для выхода головок должен вращаться, но он не вращается.

Мы используем цифровой вольтметр для измерения напряжений транзисторов Q6 и Q7. Они, как и ожидается, оба включены и коллектор Q7 имеет напряжение — 16 В. Однако, напряжение на базе Q10 должно быть около -16 В, а оно близко к нулю. Усиливается запах горелого углерода. Напряжение на R45 около 16 В (пытается рассеять около 4 Вт). Мы выключаем питание для того, чтобы он остыл, и ищем новую информацию.

Все схемы, которые запускают двигатель выдвижения головок, работают правильно, кроме заключительного транзистора Q10. При том напряжении, которое в настоящее время имеет место на его базе, он не может включиться.

Наступило время для гипотезы 3: какая-то другая причина воздействует на правильный выход головок. Может быть, она пытается отвести головки назад и в то же время вывести их! Используя логический пробник, мы определяем, что вывод 8 U4D имеет логический уровень ВЫСОКИЙ. Это происходит тогда, когда система убирает головки. Гипотеза 3 правильна! Теперь мы должны найти причину.

Что-то должно заставлять вывод 9 U4D иметь высокий уровень, но он имеет НИЗКИЙ уровень. Оценивая схему U4C мы определяем, что она должна иметь высокий уровень, поскольку механизм позиционирования не находится в положении, когда головки отведены назад. В этом состоянии вывод 4 U4B должен выдавать высокий уровень, который отключает привод отвода головок. Мы устанавливаем логический пробник на ввод 4 схемы U4B и видим, что он все еще имеет высокий уровень. Высокий уровень на аноде CR23 и низкий уровень на катоде (соединенном с выводом 9 схемы U4D) может означать только, что в схеме CR23 обрыв.

Мы отпаиваем диод с помощью устройства удаления припоя, описанного в главе 7. Диод, вынутый из платы, рахчамывается пополам — тот самый, который показался нам странным полчаса назад. Но омметр засвидетельствовал, что он исправен. Это еще один хороший урок: не надо пропускать очевидного. Теперь мы знаем, что неисправные элементы при тестировании могут давать удовлетворительные показания при работе в ненагруженном состоянии. К счастью, новый диод за 10 центов решил проблему.

Ремонт сложных электронных цифровых схем

В современном производстве происходит постепенная замена традиционных печатных плат с компоновкой стандартных интегральных микросхем (ИМС) с двурядным расположением выводов и пассивных элементов с выводами для объемного монтажа. Возросшие системные требования, корпуса меньших размеров, стоимость производства и т. д. стимулируют разработчиков и изготовителей к применению специализированных ИМС, увеличению плотности монтажа элементов и уменьшению размеров плат. В результате характеристики новейших электронных изделий как бытовых, так профессиональных, непрерывно улучшаются. Современные технологии автоматизированного проектирования и производства повышают плотность деталей на единицу площади платы, но также делают ремонт почти невозможным без специального оборудования.

К подобным случаям относятся приборы поверхностного монтажа, применяемые ранее лишь в производстве так называемых гибридных микросхем (см. главу 6). Компоненты, имеющие проволочные или штыревые выводы, в прошлом размещались на печатных платах с одной стороны, а паяные соединения с другой. Выводы каждой детали проходили через контактную площадку с отверстием в плате. Технология поверхностного монтажа не требует отверстий для выводов ИМС. но предлагает медную контактную площадку для каждого вывода ИМС.

Выводы ИМС изгибаются в соответствующем направлении для обеспечения достаточной площади пайки к контактным площадкам. Компоненты для поверхностного монтажа автоматически размещаются станком, наклеиваются на площадки, а затем припаиваются вместе с остальными составляющими. Компоненты для поверхностного монтажа, содержащие интегральные схемы малой и средней степени интеграции, можно заменить на печатной плате, используя описанные в главе 6 приемы и инструменты.

Многие цифровые системы содержат одну или более ИМС специального назначения с большой степенью интеграции. Они часто изготавливаются по технологии сверхбольших интегральных схем (СБИС) и имеют десятки входов и выходов. Для размещения столь многофункционального кристалла в относительно небольшом корпусе ИС приходится уменьшать расстояние между выводами и располагать их по всему периметру корпуса ИМС. Оба эти способа делают ручной ремонт неисправных деталей чрезвычайно трудным.

Для того чтобы обеспечить связь между многочисленными ИМС в системе, часто приходится располагать слои медных печатных проводников внутри слоев самой платы. Эти многослойные платы имеют сквозные металлизированные отверстия для связи в нужных точках. Поскольку соединения расположены в толще платы, невозможно визуально отследить соединения элементов, что ранее часто приходилось делать специалисту.

Еще один способ повышения плотности монтажа — объединение многочисленных плат модульной системы в одну. Это повышает надежность устройства в целом за счет устранения кабелей и разъемов — основных источников неисправностей — и использовать сборочную линию для изготовления одной системной печатной платы, вместо разнородных плат меньшего размера. Установка такой платы в корпус устройства гораздо проще и выгодней.

Однако во многих случаях обслуживание таких систем сложнее. Например, процесс локализации неисправности в прежних модульных системах часто заключался в последовательной замене определенных плат из системы, для того чтобы проверить, исчезнут ли признаки неисправности. Замену компонентов поверхностного монтажа часто невозможно выполнить вручную, вследствие ограниченных допусков на размещение деталей. Выводы настолько близко расположены друг к другу и их так много. Попытка сделать что-либо вручную чаще всего приводит к образованию перемычек из припоя между контактными площадками. Нередко фирмы-изготовители имеют автоматизированные ремонтные предприятия, которые могут повторно использовать печатные платы такого тина. Тогда специалисту, работающему непосредственно на объекте, остается убедиться в неисправности такой системной платы и отправить ее на замену или ремонт. Стоимость платы при замене обычно составляет небольшую часть стоимости новой платы. Во многих случаях система использует светодиодные индикаторы или коды ошибок какого-либо типа для помощи в поиске неисправностей. Как следствие, в данном случае специалист не нуждается в глубоком понимании, которое необходимо для обслуживания на уровне компонентов, однако профессионал должен быть оснащен соответствующим диагностическим оборудованием.

Профилактическое техническое обслуживание

Электронные цифровые схемы могут работать много лет, если они находятся в условиях, предусмотренных техническими характеристиками. Полупроводниковые схемы ИМС не имеют ограниченных сроков службы, как их предшественники на вакуумных лампах. Однако если эти приборы подвергаются воздействию повышенной температуры в течение длительного периода, они преждевременно выйдут из строя. В цифровых системах, состоящих из множества плат, каждая их которых содержит несколько рядов ИМС, общее рассеяние энергии может составлять сотни Вт.

Самой первой процедурой при техническом обслуживании таких систем является очистка и обеспечение притока воздуха. Если на компонентах оседает слишком много пыли, то она действует как теплоизоляция, сохраняя тепло внутри схемы. Если нет достаточной циркуляции воздуха возле платы, местная температура будет постепенно возрастать. Периодически открывайте корпус и струей сжатого воздуха удаляйте пыль. Проверьте все вентиляторы и убедитесь, что они исправны. В небольших вентиляторах, установленных на шасси, часто возникают проблемы, связанные с истиранием или загрязнением подшипников, что приводит к усилению трения и уменьшению числа оборотов в минуту. Это означает, что они больше не вращаются так быстро, как должны, и подают меньше воздуха. Очистите и смажьте подшипники, а по необходимости замените их. Убедитесь, что вентиляционные отверстия в корпусе не перекрыты посторонними предметами.

Многие цифровые системы используют торцевые разъемы для печатных плат, выполненные из печатных контактных площадок с покрытием (серебром, золотом и т. п.), которые вставляются в общие разъемы. Если необходимо удалить печатную плату, то желательно также хорошо прочистить и разъем. Используйте обычный ластик для чистки медных или золоченых контактов на печатных платах. Обработайте их высококачественным средством для очистки контактов в аэрозольной упаковке. Удалите с помощью струи сжатого воздуха пыль с соответствующих контактов в общих разъемах и также обработайте их аэрозолем для очистки контактов. Когда оно испарится, можно поместить плату на место.

Вопросы для самоконтроля

Выберите правильный ответ:

1. Логические схемы, выходной сигнал которых зависит от входного сигнала, а также от предшествующего состояния выхода, называются:

а) комбинированные логические схемы;

б) логические схемы с памятью;

в) дешифраторы;

г) мультиплексоры.

2. Основная проблема при попытке поиска неисправностей в сложных цифровых системах заключается в:

а) сигналы изменяются слишком быстро;

б) опасность поражения высоким напряжением;

в) цифровые схемы не могут работать при подключении тестового оборудования;

г) выходной сигнал непредсказуем.

3. Десятичный эквивалент двоичного числа 1001:

а) одна тысяча один;

б) одиннадцать;

в) семь;

г) девять.

4. Десятичное число 14 в двоичном виде выражается как:

а) 1010;

б) 1000;

в) 1110;

г) 11111.

5. Десятичное число 13 в шестнадцатеричном виде это:

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

6. Шестнадцатеричная величина, равная двоичному числу 1100, это:

а) А;

б) В;

в) С;

г) D.

7. Задача использования шестнадцатеричной системы счисления заключается в:

а) компьютеры могут обрабатывать только шестнадцатеричные числа;

б) это простой способ обращаться с большими двоичными числами;

в) это смущает специалистов по аналоговым устройствам;

г) их проще использовать для математических операций, чем десятичные.

8. Прибор, который выдает выходной сигнал при подаче на вход определенной двоичного числа, называется:

а) защелка;

б) микропроцессор;

в) триггер;

г) дешифратор.

9. Если выход предшествующего дешифратора никогда не изменяется, проблема, возможно, заключается в том, что:

а) входы никогда не находятся в искомом состоянии;

б) дешифратор неисправен;

в) схема, подключенная к выходу дешифратора, удерживает выходной сигнал на низком уровне;

г) ничего из перечисленного.

10. Если схема 74922 работает корректно, что из следующих утверждений правильно?

а) линия DAV всегда будет иметь высокий уровень;

б) конденсатор генератора будет заряжаться и разряжаться;

в) выходы данных будут всегда иметь высокий или низкий уровень;

г) линия DAV всегда будет иметь низкий уровень.

11. Основным составляющим элементом для схем с памятью является:

а) дешифратор;

б) синтезатор;

в) триггер-защелка;

г) микропроцессор.

12. Какое из указанных ниже условий должно выполняться, чтобы данные были зафиксированы в D-триггере?

а) на D-входе должны находиться данные;

б) вход синхронизации должен изменить состояние;

в) для сохранения данных должно поддерживаться питание;

г) все указанное выше.

13. Асинхронные входы предварительной установки и сброса триггера:

а) работают независимо от сигнала синхронизации;

б) синхронизируются сигналом на входе синхронизации;

в) их действие можно отменить сигналами на других входах;

г) все указанное выше.

14. Последовательное соединение двух счетчиков М и N дает общий модуль:

а) M + N;

б) M — N;

в) M x N;

г) M/N.

15. Частота выходного сигнала триггера в счетном включении (Т-триггер) составляет:

а) половину тактовой частоты;

б) удвоенную тактовую частоту;

в) равна частоте поступающих импульсов;

г) ничего из перечисленного.

16. Регистры сдвига можно использовать для:

а) временного хранения данных;

б) преобразования параллельных данных в последовательные;

в) преобразования последовательных данных в параллельные;

г) все перечисленное.

17. Основное преимущество последовательной передачи данных заключается в том, что:

а) используется множества регистров сдвига;

б) данные можно передавать по одной линии;

в) она быстрее параллельной передачи;

г) все перечисленное.

18. Когда осциллограф используется для наблюдения формы сигналов цифрового счетчика, источником запуска должен служить:

а) сигнал синхронизации;

б) наименее значащий бит;

в) наиболее значащий бит;

г) ничего из перечисленного.

19. Большие функциональные возможности в меньших корпусах достигаются за счет:

а) совмещении функций схем в специализированной ИС;

б) уменьшения расстояния между выводами;

в) отказа от использования корпусов с двухсторонним расположением выводов;

г) все перечисленное.

20. Последовательная передача данных обычно осуществляется:

а) по восьми отдельным проводам;

б) в виде логических импульсов ТТЛ уровней;

в) с использованием высоковольтных логических уровней;

г) все перечисленное.

Вопросы и проблемы

1. Назовите три диагностических прибора, наиболее полезные при поиске неисправностей в цифровых схемах с памятью.

2. Перечислите три причины, по которым выход дешифратора может никогда не активизироваться.

3. Перечислите три причины, по которым дешифратор 74922 может работать некорректно.

4. Заполните таблицу, показывающую работу RS-триггера-защелки с активным высоким входом.

5. Опишите режимы работы счетчика.

6. Определите термин «каскадное соединение».

7. Перечислите три причины, почему поиск неисправностей на уровне микросхем становится менее практичным.

8. Объясните, почему цифровые сигналы не выглядят как идеальные прямоугольные импульсы, показанные в учебниках.

9. Дайте определение специализированным интегральным микросхемам.

10. Дайте определение СБИС.

11. Опишите технологию поверхностного монтажа.

12. Опишите многослойные печатные платы.

13. Что такое универсальный асинхронный приемопередатчик?

14. Какой бит данных выходит из асинхронного приемопередатчика первым?

Глава 9

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

За последние 25 лет микропроцессоры превратились из новаторского изобретения для конкретной электронной системы в почти повсеместно применяемую технологию проектирования различного электронного оборудования. Общество стало зависеть от этих приборов. В 1968 году американцы послали людей на Луну без единого микропроцессора на борту космического корабля. Сегодня мы не можем завести автомобиль без модуля управления. Ракеты «Patriot», истребители «Stels», промышленные роботы, медицинские приборы, микроволновые печи, видеокамеры, телевизоры — это только некоторые из множества высокотехнологичных приборов с микропроцессорным «мозгом».

Сердцем каждого персонального компьютера, чья популярность растет с каждым днем, а возможности расширяются, является микропроцессор.

Тему сервисного обслуживания микропроцессоров можно разделить на две части:

♦ системы с встроенными микропроцессорами;

♦ персональные компьютеры.

В данной главе рассмотрены оба аспекта. Представленные методы сервисного обслуживания помогут восстановить вышедший из строя персональный компьютер. Системы со встроенными микропроцессорами также могут потребовать ремонта. Кроме того, порой необходимо разработать и изготовить специальное приспособления на основе микропроцессора. Методы сервисного обслуживания в каждом из вариантов несколько различаются.

Принципы работы микрокомпьютеров

Все компьютеры имеют одинаковую базовую архитектуру. Блок-схема состоит из центрального процессорного устройства (кратко — процессора) CPU (ЦПУ), памяти и какого-либо набора устройств ввода/вывода, как показано на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Три основных блока компьютера

Микрокомпьютеры содержат одну интегральную микросхему, которая работает в качестве ЦПУ и называется микропроцессор. Другими словами, микропроцессор, память и устройства ввода/вывода образуют микрокомпьютерную систему. Этот раздел рассказывает о том, как должен работать компьютер.

Центральный процессор

Центральное процессорное устройство содержит три основных подсистемы: арифметическое логическое устройство (АЛУ), набор регистров для хранения и специальных операций и схемы синхронизации и управления. Длина слова ЦПУ определяет размер (число бит) самой большой величины, с которой может работать процессор. Первый микропроцессор Intel 4004 использовал слова длиной 4 бита. Самые последние модели работают со словами 64 бита.

Арифметическое логическое устройство служит для выполнения двоичных операций сложения, вычитания и различных логических функций: И, ИЛИ, НЕ, Исключающее ИЛИ и т. д. Обычно оно работает совместно с регистром, который называется «аккумулятором» и хранит один из операндов арифметических операций, заменяя его результатом. Регистры предназначены для временного хранения данных или специальных адресов памяти, к которым часто обращаются, подсчета событий. Многие регистры имеют специальное назначение при использовании с определенными инструкциями.

Узел синхронизации и управления представляет собой устройство, организующее работу и взаимодействие всех составляющих системы и определяет порядок и время начала операций. Обращаясь к очередному кодовому слову в памяти программ, он декодирует двоичные числа, которые являются инструкциями типа «взять и выполнить» для реализации соответствующих задач. Многие микропроцессоры сегодня могут повторять эту процедуру более 2 000 000 раз в секунду.

Память

Во всех микрокомпьютерных системах необходимо хранить большое количество двоичной информации. Аппаратные решения задачи хранения двоичных чисел рассмотрены в главе 8, где обсуждались триггеры-защелки. Регистр хранения может быть создан с помощью соединения группы триггеров, количество которых зависит от длины слова в системе. Например, каждый регистр в 8-разрядной микропроцессорной системе 8031 должен иметь 8 триггеров, соединенных таким образом, чтобы все 8 бит могли быть записаны одновременно.

Прибор с полупроводниковой памятью представляет собой группу объединенных в едином кристалле регистров. Каждый регистр памяти имеет собственный уникальный адрес, как показано на рис. 9.2.

Рис. 9.2. Конфигурация памяти 8x8

Для того чтобы обеспечить доступ к конкретной информации, на адресные входы поступает соответствующее адресное число, тогда данные, которые расположены по этому адресу, появятся на выходных выводах данных. Адрес представляет собой число, которое указывает расположение данных в памяти. Данные — это двоичное число, которое содержится по выбранному адресу памяти.

Обратите внимание, что в предыдущем описании микросхем памяти предполагалось, что данные уже записаны по определенному адресу. Единственное, что пользователь может сделать с таким типом памяти, это считать содержимое по каждому адресу, но не может изменить сами данные которые там записаны. Поэтому такой тип устройств называется постоянным запоминающим устройством (ПЗУ). Двоичные величины обычно однократно записываются в микросхемы такого типа при изготовлении.

Поскольку микросхемы, в которые бы ваши пользовательские программы были уже встроены, рассчитаны на сравнительно большой объём изделий и не допускают быстрого изменения программного обеспечения в процессе модернизации, менее крупные проекты часто используют программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ). С этими устройствами пользователь может сохранить соответствующие двоичные значения по определенным адресам, используя специальные аппаратно-программные средства, как показано на рис. 9.3.

Рис. 9.3. Программируемая постоянная память и прибор для ее программирования

Эти приборы с «электрическим программированием» имеют плавкие элементы, которые представляют каждый бит. Если программист «пережигает плавкий предохранитель», то это соответствует значению бита «0». Если предохранитель не пережжен, он представляет «1». Как и в случае любого предохранителя, когда используется логический ноль, его уже нельзя вернуть назад в состояние логической единицы. По этой причине такие устройства называются однократно записываемой памятью, поскольку можно только один раз запомнить необходимую программу. Ошибка означает, что вы должны выбросить эту микросхему и запрограммировать другую.

Так как ошибки возникают часто, то с учетом дальнейшего усовершенствования программного обеспечения обычно используется программируемая постоянная память. Приборы с ультрафиолетовым стиранием имеют кварцевое окно, которое позволяет свету попадать на кремниевую пластину с ячейками памяти внутри корпуса интегральной схемы. Если эта пластина подвергается воздействию высокоинтенсивного ультрафиолетового света в течение нескольких минут, содержимое всех заполненных ячеек памяти будет стерто (установлено в положение логической единицы). Для перепрограммирования микросхемы используется специальная программа, как было указано выше.

Стираемая программируемая постоянная память позволяет уничтожать содержимое памяти и заново программировать ее. Прибор можно запрограммировать, при этом схема обеспечивает хранение информации в течение многих лет. Данные можно изменить только с помощью аппаратно-программного обеспечения. Неизменное хранение означает, что при выключении компьютера содержимое памяти не исчезнет. Все приборы памяти типа «только для чтения», описанные здесь, обладают характеристикой неизменности.

Во многих компьютерных приложениях нередко хранят весьма значительное количество информации, которую необходимо регулярно изменять. Центральный процессор должен иметь возможность записывать данные, а также считывать их. Для этого нужно, чтобы регистры состояли из триггеров с защелкой, а не из плавких элементов, которые были описаны для постоянной памяти. Эти схемы памяти обычно называются памятью с произвольным доступом. Их характеристики таковы: могут быстро записывать и выводить информацию, но требуют постоянного питания для сохранения данных. Если устройство выключается, информация будет потеряна. Обратите внимание, что схема программируемой памяти может хранить и находить данные, но цикл хранения относительно длинный. Потеря питания не означает потери информации.

Большинство встроенных контроллеров в настоящее время использует микросхемы с возможностью чтения и записи, которые называются статической памятью с произвольным доступом. Статическая память с произвольным доступом хранит каждый бит информации в триггере. Большинство крупных микрокомпьютерных систем, которые требуют значительного количества памяти с чтением и записью, такие как персональные компьютеры, используют динамическую память с произвольным доступом, которая позволяет хранить каждый бит информации в конденсаторе. Идеальный конденсатор с нулевым током утечки изготовить невозможно, поэтому конденсаторы, которые хранят данные, должны периодически подзаряжаться. Этот процесс называется обновлением памяти.

Динамическая память может быть изготовлена с большим количеством битов по сравнению со статической и в меньшем корпусе, поскольку конденсатор занимает меньше места, чем триггер. Динамическая память также потребляет меньше энергии и дешевле в производстве. Недостаток се заключается в том, что она требует более сложных схем для организации цикла обновления приблизительно каждую миллисекунду.

Каждая микросхема памяти организованна определенным образом. Эта информация всегда указывается в виде общего количества ячеек запоминания (со своим адресом), а также общего количества бит, которые могут храниться по этому адресу (длина слова). Поскольку устройство памяти часто содержит много ячеек хранения, это помогает указать общее количество адресов в несколько тысяч ячеек. Поскольку десятичная тысяча не является степенью числа 2, основной единицей измерения объема бит является 2^10 или 1024 килобит — сокращенно 1К). Например, микросхема статической памяти с произвольным доступом, показанная на рис. 9.4, имеет организацию 8Кх8. Общее количество элементов хранения составляет:

8 х 1024 = 8192

Число бит в каждом элементе хранения 8. Обратите внимание, что микросхема имеет 13 адресных шин. Просто подсчитав число выводов адресов, мы можем определить общее количество ячеек памяти, составляющее 2^13 = 8192.

Обратите также внимание, что микросхема имеет 8 линий данных. Это говорит о том, что в заданную на адресной шине ячейку памяти могут быть одновременно записаны (или считаны из нее) 8 бит данных. Линия WE (разрешение записи) активируется для записи данных. Линия ОЕ (разрешение выхода) активируется для чтения данных. Две линии CS (выбор ИМС) должны быть активированы (одна активируется высоким уровнем, другая низким) для выбора режима работы данной ИМС. Эти входы могут помочь при определении адреса, как будет показано ниже.

Рис. 9.4. ИС статического ОЗУ 8Кх8

Устройства ввода/вывода

Третьей составной частью компьютерной системы является блок ввода/вывода (см. рис. 9.1). Любой компьютер будет бесполезен, если вы не можете обрабатывать данные. Наиболее распространенным для персональных компьютеров устройством ввода является клавиатура, а устройством вывода — экран ЭЛТ.

Большинство компьютеров изготавливаются со стандартным портом LPT для принтера (вывод) и последовательным COM-портом (ввод и вывод). Накопители (CD, дискеты, флэш-карты и т. д.) также представляют собой устройства ввода/вывода, которые позволяют осуществлять перенос и обмен данными между компьютерами.

Во встроенных системах управления входными устройствами могут быть ограничительные, микропереключатели, кнопки и т. д., позволяющие центральному процессору получать информацию. Выходы могут быть подключены к интерфейсам системы питания для запуска различных устройств: двигателей, соленоидов, ламп. Аналого-цифровой преобразователь может служить входным устройством, формирующим 8-битовый сигнал, представляющий физическую переменную (например, температуру или давление) в какой-либо момент времени. Аналогично, цифро-аналоговый преобразователь может использоваться как выходной устройство для управления аналоговым прибором.

Шины и логические устройства с тремя состояниями

Микропроцессор использует три основных типа сигналов для связи с памятью и устройствами ввода/вывода: сигналы адреса, сигналы данных и управляющие сигналы. Вспомним, что в обычной микропроцессорной системе очень много различных областей памяти и устройств ввода/вывода, каждый их которых должен иметь свой адрес. Все эти устройства должны быть соединены общими линиями подачи сигналов, поступающих от процессора.

Группа проводников, которая используется для подачи сигналов одного типа, называется шиной. Существуют несколько подобных элементов.

Шина адреса состоит из 16-ти или более проводников, которые начинаются от ЦПУ и указывают, к какой ячейке памяти или к какому устройству ввода/вывода происходит обращение в настоящий момент.

Набор проводников, которые несут двоичную информацию кили от микропроцессора, — это шина данных. Количество проводников здесь обычно такое же, как и длина слова микропроцессора.

Шина управления несет информацию о времени и синхронизирует все операции периферийных устройств с работой ЦПУ. Число проводников и названия сигналов различаются в зависимости от типа микропроцессора и конкретного применения.

Рассмотрим проблему соединения нескольких ИМС памяти и устройств ввода-вывода с использованием одного набора из восьми линий передачи данных, как показано на рис. 9.5.

Рис. 9.5. Микрокомпьютерная система

Если каждый из выводов выхода данных ОЗУ, ПЗУ и ИМС ввода-вывода имеет два состояния (высокий и низкий), будет невозможно соединить устройства параллельно, как это показано на рисунке. Любой выходной контакт с низким уровнем может находиться в противоречии с выходными сигналами других ИМС, которые могут иметь высокий уровень. Для решения этой проблемы все приборы, подключаемые к шине, имеют специальные выходы с тремя состояниями: логический высокий уровень, логический низкий уровень, состояние высокого импеданса. Когда прибор с гремя состояниями не действует, его выходы находятся в третьем состоянии, что электрически равносильно полному удалению прибора их схемы. При запуске устройства, на выходные контакты подастся уровень ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ.

Шина адреса используется для определения, к какой именно ИМС происходит обращение в соответствии с текущим адресом, выдаваемым ЦПУ. Это очень похоже на то, как мы находим конкретный квартал в городе и нужное здание.

Старшие цифры указывают квартал, а младшие — дом. Аналогично, старшие биты адреса используются для выбора конкретной ИС, а младшие — определяют, к какой ячейке ИМС происходит доступ.

Адресная шина на рис. 9.5 представлена в виде «жгута» проводов, в котором неразличимы отдельные проводники. Это обычный метод изображения шин на диаграммах. Когда провод входит или отходит от жгута, он помечается своим номером, названием или символом идущего по нему сигнала.

Инструкции и машинный код

Теперь, когда некоторые основные аппаратные схемы описаны и даны определения многих терминов, мы можем начать рассматривать, как же в действительности работает микрокомпьютер. Понимание того, как должна функционировать система, что можно ожидать, абсолютно необходимо для правильной диагностики проблем. Чтобы заставить компьютер сделать нечто полезное, его надо запрограммировать, то есть организовать набор допустимых команд или инструкций, представляющих двоичный код, расположенный в памяти ЭВМ, которым должен следовать компьютер. Ест и машина работает только с данными длиной 8 бит, то код инструкции ограничен 8 битами и общее количество возможных инструкций не превышает 256 (2^8).

Полная инструкция состоит, по меньшей мере, из одного слова, которое называется кодом операции и представляет инструкцию для ЦПУ, в которые иногда включаются также величины данных или адреса, расположенные в памяти непосредственно после кода операции. Эти величины называются операндами. Код операции указывает задачу ЦПУ, а операнды — место назначения. Некоторые операции не требуют операндов, другие могут использовать одну или более ячеек памяти для хранения своих операндов.

Когда в память занесен полный список инструкций, они образуют программу в машинном коде. Машинный код — это единственный язык, который понимает компьютер. Каждый тип микропроцессора имеет свой уникальный язык машинных инструкций. Программисты используют обычно языки высокого уровня для организации инструкций, например BASIC и С. Компьютерная программа, называемая компилятор, переводит язык высокого уровня в машинный (двоичные 1 и 0). В любом случае информация, которая будет проходить по шинам, представляет собой только двоичные 1 и 0, образующие машинный код.

Машинные циклы и синхронизация

Для запуска программы ЦПУ задает стартовый адрес, который показывает, где расположена первая инструкция программного кода. Точное время выполнения любой инструкции зависит от быстродействия микропроцессора, которые, независимо от типа, выполняют цикл выбор-исполнение для каждой инструкции. Новейшие процессоры выбирают нескольких инструкций и выстраивают их в виде очереди на исполнение. Это положительно влияет на эффективность и повышает быстродействие. В следующем описании указаны основные этапы выполнения машинных инструкций, что позволяет составить общее представление о работе компьютеров. Детали, касающиеся конкретного микропроцессора, можно найти в руководствах изготовителей.

Цикл выполнения любой инструкции начинается с помещения адреса ячейки в памяти, но которому расположен код следующей инструкции, на шину адреса. Дешифраторы адреса выбирают ИС, в которой находится адрес. Когда ЦПУ готов принять код операции, он активирует управляющую шину, подавая сигнал типа RD (чтение), который запускает выходные буферы схемы памяти с тремя состояниями, и на шину подается код операции. Когда импульс RD заканчивается, код операции запоминается в регистре инструкций внутри ЦПУ.

Система синхронизации и управления декодирует инструкцию и определяет, требует ли она операндов. Если да, то они выбираются из следующих ячеек памяти таким же образом, что и код операции. Когда все части инструкции переданы в ЦПУ, начинается выполнение инструкции: считывание величины из памяти или устройства ввода-вывода, инкрементирование величины во внутреннем регистре или запись величины из ЦПУ в память или выходной порт. Важно понимать, что в разные периоды во время выполнения цикла инструкции шина данных может содержать коды инструкций, информацию об адресе, величины данных, и иногда ничего не значащий «цифровой мусор». Для анализа имеющихся сигналов необходимо очень хорошо понимать синхронизацию микропроцессора. Для описания этого достаточно сложного процесса в 8 и 16-битовых шинах используются специальные временные диаграммы (рис. 9.6).

Рис. 9.6. Временная диаграмма шины микропроцессора

Вся 16-битовая шина адреса представлена на временной диаграмме одной линией. Участки, где линии параллельны, показывают, что состояние каждой из 16-ти адресных линий не изменяется. Реальная величина может быть показана в шестнадцатеричном виде в пространстве между двумя параллельными линиями. Место, где линии пересекаются на временной диаграмме, показывают, что один или более бит на этой шине изменили состояние, и на выход подается новая величина.

Шина данных образована восемью отдельными линиями, каждая из которых может иметь высокий, низкий или переменный уровень. Переменное состояние возникает тогда, когда все подключенные к шине приборы находятся в третьем состоянии с высоким импедансом (бездействуют). Это состояние с высоким импедансом представляется горизонтальной линией на среднем уровне между высоким и низким. Когда выходы включаются, временная диаграмма расширяется, показывая, что все 8 бит стабильны и имеют уровень высокий или низкий. Их величина в этом интервале может быть показана в виде шестнадцатеричного числа. Сигналы дешифратора ПЗУ и ОЗУ, которые идут к входам выбора ИМС, и сигналы линий RD и WD представляют собой однобитовые сигналы и выглядят, как и на всех остальных временных диаграммах.

Последовательность, которая представлена на временной диаграмме, следу-

1. ЦПУ выдает адрес ячейки памяти, содержащей операционный код инструкции.

2. Выход ПЗУ дешифратора адреса переходит на низкий уровень.

3. ЦПУ переводит линию RD на низкий уровень, разрешая выход схемы памяти.

4. Код операции от ПЗУ появляется на шине данных.

5. Кончается импульс RD, код инструкции запоминается в ЦПУ. ЦПУ теперь знает, что оно должен записать величину данных в указанный адрес ОЗУ.

6. Адрес ячейки памяти, куда должны быть записаны данные, выдается на шину адреса.

7. Дешифратор адреса активирует вход выбора RAM.

8. Данные для записи подаются ЦПУ на шину данных.

9. Линия WR переходит на НИЗКИЙ уровень при прохождении по ней импульса.

10. По фронту нарастания на линии WR данные записываются в память.

Теперь инструкция полностью выполнена и микропроцессор готов выбрать следующую.

Персональные компьютеры

Наиболее известной областью применения микропроцессоров дома и в офисах на сегодняшний день являются, видимо, персональные компьютеры, которые появились в 1970 году и в настоящее время стали обычными бытовыми приборами в каждом доме. Несколько изготовителей вышли на рынок за это время, но мы здесь остановимся на машинах, ориентированных на MS-DOS и Microsoft Windows, где прогресс просто поразительный.

Первые персональные компьютеры IBM использовали микропроцессор 8088 с шиной данных 8 бит и возможностью обработки 16 бит. Выпускаемый в настоящее время Pentium имеет полную шину данных 64 бит.

Основные тенденции развития технологий: увеличение быстродействия, объема оперативной памяти и дисковых накопителей, эффективное выполнение операций. Данный раздел описывает общие методы сервисного обслуживания современных ПК.

Персональный компьютер состоит из трех элементов: аппаратное обеспечение (hardware), аппаратно-программное обеспечение (firmware) и программное обеспечение (software).

Аппаратное обеспечение — это реальные электрические схемы и механизмы, которые образуют компьютерную систему.

Аппаратно-программное обеспечение состоит из микросхем памяти, в которых записан набор инструкций, имеющихся внутри каждого компьютера, которые говорят ему, что надо делать при включении питания. Обычно это специальный тест (power-on self-test — POST), обращение к драйверу дисков и загрузка операционной системы. Программы firmware записаны в ПЗУ на системной плате и часто называются загрузочными программами, поскольку они выполняют действия, необходимые после того, как компьютер начинает работу.

Программное обеспечение загружается через драйверы дисков в рабочую область ОЗУ.

Операционная система — это первая программа, которая загружается в ОЗУ и обеспечивает доступ к другим программам, выполняя огромное количество разных операций.

Аппаратное обеспечение персонального компьютера

Персональные компьютеры состоят из тех же базовых блоков, что и все компьютерные системы: ЦПУ, память и устройства ввода-вывода (рис. 9.7).

Рис. 9.7. Блок-схема персонального компьютера

Выполненные на системной плате блоки различны у разных систем, некоторые блоки необязательны. Системная плата обычно содержит, как минимум, микропроцессор и минимальную системную намять. Она включает и ПЗУ и ОЗУ. ПЗУ содержит программы основной системы ввода вывода (basic input/output system BIOS) и эта память не изменяется при выключении питания. Системная память формируется с помощью динамических микросхем ОЗУ. Эти микросхемы компактны и требуют меньше мощности, чем статические ОЗУ, но их необходимо регенерировать примерно каждые две миллисекунды. Для выполнения этой операции предусмотрены специальные схемы, поэтому с точки зрения программирования эта память прозрачна для пользователя. Системную память, как правило, можно расширить за счет добавления ИС памяти, установленных на специальные небольшие платы с однорядным расположением выводов (single-in-line memory module — SIMM) или с двурядным расположением выводов (dual in-line — DIMM). Технология этих систем памяти постоянно совершенствуется, обеспечивая быстрый доступ и большие объемы хранения.

Остальные элементы блок-схемы представляют собой различные тины устройств ввода-вывода. Основным устройством вывода является экран монитора. Для того чтобы подать изображение на экран, необходима схема графического интерфейса, хранящая информацию, которая должна быть показана на экране, и генерирующая все необходимые сигналы для запуска электронно-лучевой трубки или жидкокристаллической панели внутри монитора. Для компьютеров есть несколько различных типов мониторов, каждый имеет соответствующую карту графического адаптера, которая вставляется в материнскую плату.

Основное устройство ввода — клавиатура позволяет заносить различные типы данных и сама имеет небольшой встроенный микроконтроллер, который отслеживает состояние клавиш и запоминает введенные пользователем символы до того, как ЦПУ будет готово принять их. Она посылает эту информацию в виде последовательных данных по 1 биту.

Каждая система имеет, как минимум, один дисковый накопитель. Эти устройства обеспечивают большие объемы памяти для хранения данных и средства загрузки программного обеспечения.

Винчестером называют запоминающее устройство, которое содержит набор жестких вращающихся дисков, покрытых магнитным материалом. Магнитные поля, представляющие двоичные данные, записываются на поверхность диска (и считываются с нее) с помощью небольших электромагнитных катушек, называемых головками. Головка перемещается по поверхности вращающегося диска в радиальном направлении вперед и назад.

Управление механизмом и работа с данными осуществляется контроллером диска. Самые современные материнские платы содержат встроенные схемы контроллеров для нескольких драйверов диска.

Дискеты работают аналогично винчестеру, но представляет собой портативное устройство. Компакт-диски стали очень популярны, прежде всего, как средство загрузки объемных приложений и хранения больших файлов данных графики и звука.

Большинство систем поставляются с одним параллельным и двумя последовательным портами ввода-вывода. Параллельный порт обычно подключается к принтеру и обеспечивает быструю передачу данных от компьютера к печатающему устройству. Каждый символ передается по восьми линиям данных. Другие линии ввода-вывода используются для координации при передаче, информируя компьютер, когда принтер готов для следующего символа и сообщая, когда символ подан ЦПУ на кабель принтера.

Последовательный порт используется для передачи данных по одному проводу. как было описано в главе 8. Большинство компьютерных систем в настоящее время имеют, по меньшей мере, два встроенных последовательных порта.

Типичным примером использования последовательного порта является подключение компьютера к телефонной линии с помощью модема. Модем (модулятор-демодулятор) осуществляет преобразование логических сигналов в тоновые с целью передачи их по телефонным линиям.

Внешние последовательные порты используют стандартный разъем и определение сигналов в соответствии со стандартом RS-232. Это позволяет компьютеру подключаться к любому другому устройству, который использует порт такого же стандарта.

Все компьютеры имеют на материнской плате слоты расширения, которые позволяют подключать другие устройства. Можно добавить к системе карты видеоускорителей, игровые порты, встроенные модемы, просто вставив плату в соответствующий слот. Для расширения возможностей персонального компьютера можно добавить различные приборы специального назначения, например описанный в главе 7 логический анализатор.

Аналогичные платы расширения, предназначенные для работы с определенным типом интерфейса шины, могут превратить ваш ПК в осциллограф, вольтметр, частотомер, функциональный генератор и почти любой тип лабораторного оборудования. Высокоскоростные устройства: видеокарты, контроллеры драйверов и др. работают на высокоскоростных шинах, а многоцелевые платы, такие как параллельные порты и модемы, могут работать на медленных шинах.

Сервисное обслуживание персональных компьютеров

Сервисное обслуживание современных ПК обычно предполагает диагностику на уровне плат или модулей. Во многих случаях названные компоненты дешевле заменить, чем чинить. В некоторых системах задействованы специализированные интегральные микросхемы (ASIC), в случае поломки этого элемента придется покупать новый компьютер.

Весьма популярен метод поверхностного монтажа, который обычно не дает возможности технику выпаивать и заменять ИМС. К счастью, есть много способов, позволяющих специалисту изолировать проблему до уровня отдельного модуля, который затем можно заменить.

Когда компьютер включается, он автоматически выполняет инструкции в ПЗУ BIOS на материнской плате. На экран выводится сообщение, из которого можно узнать о результатах тестирования рабочей памяти ОЗУ видеосистемы, дисковых накопителей и клавиатуры. Типы тестов и их последовательность зависят от фирмы-производителя ПЗУ. Выяснить, кто изготовил BIOS и какова его версия можно, прочитав ярлык на ИМС ПЗУ на материнской плате или посмотрев на экран во время выполнения стартового теста.

В большинстве версий BIOS осуществлена возможность обратной связи с пользователем при помощи специальных звуковых сигналов, благодаря которым хозяин ПК или технический специалист может узнать об источнике и характере проблемы, возникшей в какой-либо из подсистем. Пример простых кодовых звуковых сигналов приведен в табл. 9.1. Многие ПЗУ BIOS дают более детальный набор кодов.

Таблица 9.1. Звуковые сигналы теста при включении питания

Звуковой сигнал ∙ Проблемная область

- Нет звукового сигнала встроенного динамика ∙ Источник питания

- Непрерывный сигнал ∙ Источник питания

- Повторяющиеся короткие сигналы ∙ Источник питания

- Один длинный, затем один короткий сигнал ∙ Материнская плата

- Один длинный, затем два коротких сигнала ∙ Видеоинтерфейс

- Один короткий сигнал и плохая робота дисплея ∙ Кабель монитора или монитор

- Один короткий сигнал, но загрузки не происходит ∙ Жесткий диск

Нормальная процедура загрузки для большинства ПК сопровождается одним коротким звуковым сигналом после завершения теста памяти. Программа загрузки затем пытается обратиться к накопителю флоппи-диска, который определяется как дисковод А. Если в дисководе А есть должным образом форматированная дискета, то операционная система загружается в рабочее ОЗУ и происходит начальная загрузка системы. Иначе система ищет операционную систему на жестком диске (обычно это диск С). Необходимо всегда иметь наготове загрузочный диск на случай, если в вашей системе возникает проблема.

Система Windows ХР предлагает много средств, которые могут помочь вам справиться с проблемами. Нажав клавишу F8 во время загрузки и выбрав один из режимов в меню, можно активировать «последнюю исправную версию» и «безопасный режим» работы системы.

Первый вариант используется тогда, когда вы подозреваете, что какая-то недавно установленная программа нарушила работоспособность вашей системы. Эта функция восстанавливает драйверы, которые использовались во время нормального функционирования системы.

Безопасный режим представляет собой метод запуска Windows с использованием только основных файлов и драйверов. Для более опытных пользователей доступна программа восстановления. Она запускается при выборе команды R в меню загрузки системы установочного CD диска. Если вы создали конфигурацию автоматического восстановления системы в период правильной ее работы, можно этим воспользоваться для поиска возникающих проблем.

При подозрении на неисправность аппаратуры, связанной с жестким диском, или проблемами операционной системы, первый шаг — перезапуск системы (нажмите кнопку питания или Reset) с помощью установленного в дисковод А загрузочного диска. Дальнейшие диагностические тесты можно выполнить, воспользовавшись специальным программным обеспечением. Большинство персональных компьютеров имеют средства диагностики низкого уровня, включенные в стартовую дискету, при активации которой на экране появится меню с предложением различных функций, в том числе проведение диагностических тестов: жесткого диска, флоппи, драйверов, клавиатуры, видеоинтерфейса, портов для подключения периферийных устройств.

Для более детального тестирования применяется мощные диагностические средства. Эти программы могут тщательно протестировать почти каждую функцию ПК, например, проверки последовательных и параллельных портов, требуют специальной заглушки в разъеме ввода-вывода для обеспечения замкнутого контура в электрической цепи. Это позволяет протестировать все, даже выводы самого разъема.

Перед использованием любого диагностического средства, система должна успешно загрузиться. Если система совершенно не работает, проверьте индикатор питания и послушайте звук вентилятора охлаждения. Возможно, на систему не подается питание от сети переменного тока. Проверьте кабель питания и плавкие предохранители. Если вентилятор работает, но не горит индикатор питания, проверьте напряжения постоянного тока от источника питания, подаваемые на материнскую плату. На световом индикаторе питания должно быть напряжение 5 В или, по меньшей мере, такое, которое соответствует высокому логическом уровню (больше 2 В) — рис. 9.8.

Рис. 9.8. Выводы для подключения материнской платы к источнику питания

Если какое-либо из напряжений от источника питания не соответствует необходимому значению, отключите питание и отсоедините разъемы питания от материнской платы.

Для проверки источника питания вы должны подключить его к нагрузке. Изготовьте тестовую нагрузку с резистором 1 кОм от каждого выхода источника питания. Если напряжения по-прежнему не соответствуют номинальным значениям, то замените источник питания. В противном случае снова подключите источник, удалив все платы расширений и визуально проверьте материнскую плату на короткое замыкание. Убедитесь, что процессор правильно установлен. Включите питание, отключайте возможные участки возникновения замыкания до того, пока напряжение не станет номинальным.

Если источник работает нормально и система запускается, но не дает изображения на экран, убедитесь, что видеокарта установлена правильно в разъеме. Убедитесь, что сам монитор работает правильно и надлежащим образом подключен к питанию и разъему видеокарты.

Во время загрузки система зависает и монитор показывает проблему установки? Измените установочные значения. Обычно на экран выводится сообщение, указывающее необходимую последовательность нажатия клавиш для выполнения установок. Проверьте конфигурацию аппаратного обеспечения, чтобы убедиться в соответствии параметров вашей системе.

Сервисное обслуживание систем с микропроцессорами

Многие вещи, которые мы ежедневно используем, имеют в качестве центрального управляющего устройства микропроцессор. Большинство приборов на рынке, которые имеют клавиатуру и светодиодный индикатор или жидкокристаллический дисплей, содержат микропроцессор того или иного типа. Уровень сервисного обслуживания, который специалист способен успешно провести в таких системах, зависит от двух факторов:

1. Степени понимания принципов работы микропроцессоров специалистом.

2. Наличия технической документации.

Надеемся, что данная книга поможет с пунктом 1. А по поводу пункта 2 желаем удачи! У некоторых производителей очень трудно достать схемы и диаграммы для таких систем, а программное обеспечение почти никогда не описано, даже в сервисных руководствах.

Когда прибор на основе микропроцессора перестает работать, прежде всего, необходимо определить область возникновения проблемы. Если система отвечает на входные воздействия, но выдает неправильный выход, то сам микропроцессор, возможно, исправен. Рассмотрим, например, магнитофон, показанный на рис. 9.9.

Рис. 9.9. Микропроцессор, управляющий магнитофоном

Предположим, что он может поддерживать индикатор времени на дисплее и на передней панели загорается индикатор Play, но лента не движется. Это означает, что микропроцессор, видимо, выполняет программу. Мы делаем вывод, что микропроцессор получает входные сигналы от переключателей панели управления и управляет дисплеем, а также двигателями протяжки ленты.

Для проверки этого предположения необходимы временные диаграммы. В подобном случае необходимо протестировать схему, обеспечивающую интерфейс микрокомпьютера и лентопротяжного механизма. Поместив логический пробник на выходной контакт микропроцессора и нажимая кнопки Play и Stop, можно выяснить статус логических уровней. Если уровень изменяется, проблема не в микропроцессоре. Обратное говорит о неисправности буфера выходного порта, а может быть, схема драйвера поддерживает постоянный уровень логического сигнала. Необходимо отсоединить драйвер от выходного порта, чтобы проверить это.

Простой метод тестирования заключается в том, чтобы удалить любой компонент, последовательно соединенный между двумя точками, например, резистор, или перерезать дорожку на печатной плате ножом и разомкнуть цепь. После тестирования можно исправить проводник из фольги, припаяв через разрез небольшой кусок провода.

В качестве примера рассмотрим случай видеомагнитофона, в который попала молния. При проверке было обнаружено, что тюнер сломан, но большая часть привода ленты и видеосистемы работает нормально. Другая проблема заключается в том, что механизм «жует» ленту. После проверки было определено, что один из тормозов бобины не срабатывает. Это приводит к потере натяжения ленты во время смены режимов. Весь лентопротяжный механизм управлялся одним микропроцессором. Следуя по линии соединения соленоида тормоза бобины и проследив печатные проводники на плате ПК, был локализован вывод микрокомпьютера, который управлял этой функцией, как показано на рис. 9.10. Логический пробник на выходном контакте 19 показал, что он всегда имеет низкий уровень. Один вывод резистора R73 был отпаян и вынут из схемы. Уровень вывода 19 все равно был низким.

Рис. 9.10. Поиск неисправностей в магнитофоне с микроконтроллером

В подобном случае, может быть, не имеет смысла пытаться отремонтировать устройство. Нужно заменить микропроцессор, хотя не работает только один вывод. Поскольку микропроцессор в одной ИС объединяет аппаратное и аппаратно-программное обеспечение (программа записана во внутреннем ПЗУ), вы можете приобрести эту деталь только у изготовителя. В этом заключается хитрость обслуживания встроенных контроллеров и приборов с программируемой логикой, поскольку вы не можете приобрести детали у других поставщиков.

Более того, изготовители могут не продавать детали отдельно, а только в виде целой платы, что в данном случае представляет собой почти всю схему системы. Оба варианта замены дорогостоящи. Были найдены оптронные датчики в механизме подачи ленты, подававшие сигналы ТТЛ, которые указывали положение элементов лентопротяжного механизма. Затем собрана простая триггерная схема, которая считывала положение этих сенсоров и запускала тормоз в необходимое время, совершенно независимо от микропроцессора. Это позволило использовать видеомагнитофон для проигрывания и копирования домашних записей.

Такой случай специфической поломки — скорее исключение, чем правило. Часто неисправный микропроцессор мало что делает правильно. Зная, что микропроцессор не отвечает, проверьте его важнейшие функции, в том числе схему синхронизации с помощью осциллографа (рис. 9.11). Если генератор синхросигналов встроен в процессор в системе, найдите эту ИМС и исследуйте каждый вывод на наличие сигнала синхронизации. Проверьте питание или попробуйте поменять кристалл (2 вывода вместо 40), но, скорее всего, причина кроется в ЦПУ. Если ПЗУ выполнено в виде отдельного устройства на шине, ЦПУ будет стоить всего несколько долларов.

Рис. 9.11. Диаграмма поиска неисправностей при проблемах с синхронизацией

Высокочастотные сигналы синхронизации многих микропроцессоров часто даже не похожи на прямоугольный импульс. Показанная на рис. 9.12 форма сигнала была снята с кварцевого генератора микроконтроллера.

Рис. 9.12. Реальная форма сигнала синхронизации

Если сигнал выглядит, как на этом рисунке, продолжайте действовать, как указано на диаграмме рис. 9.13.

Рис. 9.13. Диаграмма поиска неисправностей микропроцессоров

Коснитесь верхней части корпуса микросхемы (но не выводов!). Если ИС перегрета, то она может обжечь вас, поэтому быстро уберите палец. В нормальном состоянии микропроцессор должен быть теплым. Затем проверьте каждый вывод шины данных логическим пробником или осциллографом. На линиях данных всегда должны присутствовать импульсы. Пользуясь осциллографом, не удивляйтесь, что волны выглядят нестабильными или походят на помехи (рис. 9.14).

Рис. 9.14. Типичный пример изображения на экране осциллографа при контроле сигнала на шине данных

На какой-либо линии нет импульсов? Тогда или ЦПУ неисправен, или что-то на шине заставляет эту линию иметь низкий уровень. Проверьте линии чтения-записи, чтобы выяснить, пытается ли микропроцессор выбрать или сохранить данные. Если имеет место режим чтения, и на линиях шины данных есть импульсы тока (но нет изменения логического состояния), то может быть, что вывод ЦПУ внутренне закорочен. Устройство контроля тока является для этой цели очень хорошим средством. Оно работает как логический пробник, но воспринимает магнитное поле, которое создается током.

Если в шине имеет место активность и ИМС не горячая, попытайтесь заставить ее осуществить сброс (многие платы снабжены кнопкой Reset — Сброс), или просто найдите конденсатор, который используется для сброса при включении питания (рис. 9.15).

Рис. 9.15. Сброс с помощью кнопки

Используя отвертку и т. п., замкните выводы конденсатора вместе. С помощью логического пробника выясните логическое состояние на выводе сброса или замените конденсатор. Вывод сброса активируется, значит, микропроцессор должен реагировать соответствующим образом. В большинстве микропроцессоров линии адреса и данных примут определенное состояние при активации вывода сброса.

Если сброс не помогает, то попытайтесь активировать выход дешифратора на программное ПЗУ, куда должны часто или постоянно поступать импульсы. Возможными причинами может быть неисправный ЦПУ, плохой дешифратор адреса, плохая ИМС ПЗУ. Проверка дешифратора требует, обычно, использования многоканального осциллографа или логического анализатора, поскольку при наблюдении выходного сигнала надо следить за несколькими входными. Обратитесь к главе 8, где даны детальные инструкции по проверке дешифраторов.

Логический анализатор может быть очень мощным средством для наблюдения всех сигналов микропроцессора одновременно. Проблема при обслуживании встроенных контроллеров заключается в том. что, как правило вы должны знать, что происходит на шине. Для интерпретации выхода необходима документация по программному обеспечению, в противном случае можно потратить долгие часы на скучную работу, анализируя схемы.

Сервисное обслуживание при разработке

Рассмотренные ранее методы относились к обслуживанию микрокомпьютерных систем, которые уже вышли на рынок и доказали свою работоспособность. Они отказали вследствие выхода из строя какого-либо компонента системы. В действительности сервисное обслуживание должно начаться задолго до того, как продукт вышел на рынок. Во время разработки проект проходит множество уровней тестирования и модификации, каждый из которых является попыткой отладить работу системы. Это особенно справедливо для систем, основанных на программном обеспечении, например, для микропроцессорных.

Процесс разработки обычно проходит следующие этапы:

1. Постановка задачи и ее формальное описание.

2. Составление блок-схем и описаний блоков ввода-вывода.

3. Проектирование схемы блоков и выбор деталей.

4. Тестирование блоков (программных драйверов).

5. Тестирование системы на функционирование в соответствие с требованиями (окончательная проверка программного обеспечения).

Любой проект устройства, цифрового или аналогового, должен пройти через проектирование, тестирование и модернизацию. Цель этого раздела — сконцентрироваться на имеющихся средствах разработки, которые позволяют провести эффективное обслуживание на уровне проектирования и разработки.

В процессе создания программируемых систем ошибки в работе могут быть результатом неправильного проекта, неполадки в соединениях, неправильного алгоритма, ошибок программирования, неисправных компонентов, неправильной синхронизации. Для того чтобы успешно провести поиск неизбежных неисправностей, должны использоваться средства, позволяющие изолировать и протестировать аппаратные и программные компоненты системы. Естественно, каждая единица аппаратуры может быть проверена независимо от микропроцессора. Однако, многие из проблем, которые встречаются при создании интерфейса между периферийными устройствами и микропроцессором, связаны с синхронизацией. Все сигналы могут присутствовать, но они приходят не вовремя или в неправильной последовательности.

Рассмотрим попытку разработать контроллер микроволновой печи. Входами являются клавиатура, жидкокристаллический дисплей, несколько переключателей на дверце, возможно, аналого-цифровой преобразователь для датчика температуры, и несколько дискретных выходов для запуска магнетрона и нескольких индикаторов. Вы изготавливаете аппаратуру, пишете программы, программируете ППЗУ, вставляете его в систему, включаете питание и ждете результата. Если устройство не работает (а это редко случается в первый раз), то как узнать, почему?

Система создания микрокомпьютера дает разработчику средства, необходимые для изоляции потенциальных проблем. Типичная система содержит ПК для написания и трансляции команд языка программирования в команды языка машинного уровня. Он может также автоматически загрузить программу в машинном коде непосредственно в ПЗУ микрокомпьютерной системы, которая находится в разработке. Для того чтобы это произошло, ПК должен посылать код по 1 биту через последовательный кабель в систему.

ЦПУ программируемой системы должен записать код в свою память. Это означает, что ЦПУ выполняет программу, которая позволяет ему обратиться к памяти и изменить ее содержание. Эта программа, выполняющаяся на программируемой системе, называется контролирующей и позволяет разработчику проверить все регистры или область памяти и изменить их содержание. Величина, которую аппаратура считывает с входного порта, может выводиться на экран ПК, а логические уровни на выходных портах могут изменяться с клавиатуры ПК. После того как контролирующая программа загрузит поступающую от ПК программу в намять, разработчик может запустить и остановить ее. Например, если первая часть программного обеспечения должна была считать величину с клавиатуры, разработчик может:

1. Запустить программу с начала (это означает, что микропроцессор перестает выполнять контролирующую и запускает прикладную программу).

2. Остановить программу по команде с клавиатуры.

3. Показать введенную с клавиатуры величину на экране.

4. Вернуть управление системой контролирующей программе.

Это называется контрольной точкой и является очень полезным средством отладки. Пошаговое выполнение программ позволяет осуществлять программу по одной инструкции до возвращения прав на управление контролирующей программе.

Отладка программ очень похожа на обслуживание в аппаратном обеспечении. Цель заключается в устранении насколько возможно большего количества недоработок при каждом тесте. Контрольные точки, обычно, устанавливаются в середине отлаживаемой программы, результаты сравниваются с ожидаемыми в этой точке программы. На основе этих результатов устанавливается новая контрольная точка, для исключения половины оставшегося кода, и так далее, пока проблема не будет изолирована.

Другое средство разработки, это эмулятор — программа, которая запускается на ПК и формирует сигналы на интерфейсном кабеле подобно ЦПУ разрабатываемой системы. ЦПУ удаляется из своей панельки и вместо него подключается кабель эмулятора. Прикладное программное обеспечение считывается эмулятором и выполняется платой системы. Эти системы также дают возможность задания контрольных точек и пошагового выполнения других функций контролирующей программы.

Еще один полезный инструмент — программный симулятор. Это средство не позволяет вам отлаживать аппаратуру, но очень полезно при тестирования программ до запуска их на разрабатываемой системе. Например, встроенный контроллер оборудования атомной электростанции по соображениям безопасности вообще невозможно тестировать в реальных условиях.

Так же, как аппаратное обеспечение можно разработать для удобства технического обслуживания и ремонта, можно писать программы с учетом отладки. Программы следует писать и проверять таким образом, чтобы они выполняли определенную локальную функцию, например, чтение с клавиатуры или вывод символа на монитор. Этот подход даст вам средства тестирования аппаратуры и обеспечивает строительные блоки для всего программного обеспечения.

Профилактическое техническое обслуживание

Профилактическое техническое обслуживание устройств со встроенными микропроцессорами очень похоже на работу с другими цифровыми приборами, описанными в предыдущей главе. Важное отличие заключается в возможности сбоя в программе, выполняемой микрокомпьютером. В этих условиях прибор полностью потеряет контроль над своими обычными функциями и может сделать все, что угодно. Это спровоцирует серьезные последствия в случае, например, большого манипулятора. Одной из основных причин такого повреждения являются помехи в линии питания. Выбросы тока на линии, переходные процессы высокого напряжения, временные прерывания подачи питания, другие причины, могут вызвать кратковременные сбои в микрокомпьютерной системе. В экстремальных случаях, таких, как удар молнии, переходные процессы могут сильно повредить схему. В не столь катастрофических ситуациях компьютер может только «сбиться» и его необходимо перезагрузить, выключив питание и включив снова.

Лучший способ предотвратить сбой — использовать сетевой фильтр и ограничитель кратковременных выбросов напряжения. Многие из этих устройств содержат просто металлоксидный варистор, который ограничивает пиковые напряжения на безопасном уровне. Другие — активную схему, которая ограничивает и контролирует выбросы и разрушительные переходные процессы. Источник бесперебойного питания (UPS) обнаруживает прекращение подачи питания на линии и переключает компьютер на свой внутренний аккумуляторный источник.

Основной формой технического обслуживания ПК является чистка. Клавиатуру и корпус следует регулярно чисть пылесосом снаружи. Вентиляционные отверстия могут быть забиты пылью, а вентиляторы перестать работать. Многие ИМС ЦПУ снабжены теплоотводом и вентилятором, который установлен непосредственно на микропроцессоре, для того чтобы сохранить его достаточно охлажденным. Эти вентиляторы часто не запускаются, что вызывает выход из строя ЦПУ из-за перегрева. Другим профилактическим средством является чистка головок привода флоппи-дисков. Есть специальные наборы, которые используют чистящую жидкость для снятия отложений на головках. При чистке головок нужно быть очень осторожным, чтобы не нарушить положение головок. Избегайте использования средств сухой очистки, поскольку они абразивны и могут повредить головки во время очистки.

Клавиатуру следует регулярно чистить пылесосом для удалении грязи и мусора, которые попадают на и под клавиши. Не допускайте попадания на клавиатуру жидкостей: кофе и других напитков. Никогда не ставьте что-либо на монитор. Он должен иметь достаточную вентиляцию для рассеивания тепла.

Компьютер наиболее уязвим во время загрузки. Лучше оставить его работать в течение часа или около того, чем выключать и включать по нескольку раз.

Вопросы для самоконтроля

Выберите верный ответ.

1. В микрокомпьютерных системах ЦПУ:

а) находится в ИМС микропроцессора;

б) является единственным необходимым элементом;

в) содержит память и устройства ввода-вывода;

г) делает все, указанное выше.

2. Арифметическое логическое устройство:

а) выполняет логические операции И. ИЛИ, НЕ;

б) складывает и вычитает;

в) работает с сумматором;

г) делает все указанное выше.

3. Секция ЦПУ, которая координирует все операции и запускает сигналы на шине называется:

а) АЛУ;

б) схема синхронизации и управления;

в) регистры;

г) ничего из перечисленного.

4. Схема памяти, которая стирается ультрафиолетовым светом это:

а) ОЗУ;

б) динамическое ОЗУ;

в) ЭСППЗУ;

г) ППЗУ

5. Устройство памяти с 11 линиями адреса и 8 линиями данных:

а) может хранить 2048 восьмибитовых величины;

б) имеет восемь ячеек памяти;

в) хранит 11 бит в каждой ячейке памяти;

г) может хранить 256 восьмибитовых величин.

6. Число, которое представляет уникальную область хранения в памяти, называется:

а) содержимое регистра;

б) переменное пространство:

в) адрес памяти;

г) разрешение выхода.

7. Большинство применений со встроенным микропроцессором используют:

а) драйвер жесткого диска;

б) ИМС динамических ОЗУ;

в) схему регенерации;

г) статические ПЗУ.

8. Группа проводников, которая используется для передачи сигналов одного типа в компьютерной системе называется:

а) ЦПУ;

б) АЛУ;

в) линия с тремя состояниями;

г) шина.

9. Основной элемент, который позволяет подключить выходы нескольких устройств к одной шине, это:

а) специальные драйверы шины;

б) способность формировать высокий импеданс на выходе (три состояния);

в) все приборы выдают на выход одинаковый логический уровень;

г) ничего из перечисленного.

10. Инструкции в машинном коде для микропроцессора 80486:

а) имеют вид выражений на языке высокого уровня;

б) никогда не хранятся в памяти, а только на драйверах дисков;

в) имеют вид двоичных кодов (1 и 0);

г) компьютеры 80486 не используют машинные коды.

11. Параллельные линии на временных диаграммах в технических руководствах означают, что сигналы на шине:

а) изменяются так быстро, что их невозможно увидеть;

б) имеют неопределенное состояние;

в) находятся в переходном состоянии;

г) правильные, стабильные и не меняются.

12. Ваш компьютер включается, проверяет память, но постоянно выдает звуковой сигнал, но нет знакомой подсказки. Что, по-видимому, не в порядке?:

а) проблемы с источником питания;

б) проблемы с жестким диском;

в) проблемы с видеоинтерфейсом;

г) проблемы с динамиком.

13. Последовательность операций при запуске для всех ПК:

а) включает тест при включении питания, который называется POST;

б) содержится в программах BIOS;

в) является программой, записанной в ПЗУ;

г) все перечисленное.

14. Если ПК загружается с жесткого диска, но работает неправильно:

а) попробуйте загрузить DOS с драйвера А;

б) замените жесткий диск:

в) замените источник питания;

г) замените ЦПУ.

15. Что не является ограничивающим фактором при попытке ремонтировать прибор на базе микропроцессора?:

а) степень понимания специалистом работы микропроцессора;

б) наличие детального описания программного обеспечения;

в) идентификация изготовителя микропроцессора;

г) наличие сложного тестового оборудования.

16. Первое, что нужно проверить, если ЦПУ не подает признаков жизни, это:

а) синхронизацию;

б) наличие сигналов ввода-вывода;

в) формы сигналов аккумулятора;

г) источник питания.

17. Если вы занимаетесь обслуживанием только с помощью логического пробника и осциллографа, и синхронизация работает, но система не функционирует, то следует:

а) проверить наличие недействующих линий в шине данных;

б) проверить вывод выбора ИМС ПЗУ. в котором записана программа;

в) попытаться произвести сброс системы при включенном питании;

г) сделать все указанное выше.

18. Проблема при использовании логического анализатора для сервисного обслуживания системы заключается в том, что:

а) нет способа подключить его к системе;

б) логические анализаторы являются слишком сложными приборами, чтобы работать с ними;

в) нет достаточной документации относительно правильной работы системы, чтобы можно было сравнить результаты измерений;

г) все указанное выше.

19. Контролирующая программа — это:

а) программа, которая работает на разрабатываемой микропроцессорной системе;

б) позволяет видеть и изменять содержимое памяти, регистров и устройств ввода-вывода;

в) может контролировать ход программ с контрольными точками;

г) делает все указанное выше.

Вопросы и проблемы

1. Назовите три основные части любой компьютерной системы.

2. Назовите три основные секции ЦПУ.

3. Опишите подробно цикл выбора-исполнения.

4. Назовите три типа входных и выходных устройств персонального компьютера.

5. Назовите три типа входных и выходных устройств системы со встроенным устройством управления.

6. Назовите три элемента, необходимые для работы персонального компьютера.

7. Дайте определение POST.

8. Опишите, как POST информирует пользователя о типе возникшей проблемы.

9. Назовите три диагностических тестовых процедуры, которые обычно поставляются с персональным компьютером.

10. Нарисуйте временную диаграмму цикла выбора-выполнения, который будет считывать 1 байт данных из памяти.

11. Опишите, как цифровая информация записывается и стирается из ПЗУ, ОЗУ, ППЗУ. ЭСППЗУ.

12. Расскажите о различиях между динамическим и статическим ОЗУ.

13. Как ЭСППЗУ отличается от ОЗУ?

14. Сколько килобайт можно записать в ОЗУ с 12 адресными линиями и 8 линиями данных?

15. Дайте определение логических устройств с тремя состояниями.

Глава 10

СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ БИОМЕДИЦИНСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Применение электроники в медицине открыло одну из наиболее интересных областей техники. Когда был разработан телевизор, он считался чудом инженерной мысли. Но кто мог предсказать, что однажды прибор будет передавать детальное изображение человеческого тела! Этот день наступил — ультразвуковые, рентгеновские, магнитные технологии сегодня используются для фотографирования внутренних органов.

Биомедицинское оборудование можно разделить на две основных категории: средства диагностики и оборудование для лечения.

Диагностические инструменты: магниторезонансная визуализация, компьютерная томография, ультразвуковая визуализация, электромиография, электрокардиография, мониторы сосудистой и нервной системы, осуществляют измерения физиологических параметров, что нередко помогает врачам поставить диагноз.

Под терапевтическим оборудованием подразумеваются ультразвуковые массажные устройства глубокого прогревания, аппараты диатермии, электрохирургии, искусственной почки — все то, что помогает нашему организму работать более эффективно. Эта глава рассматривает некоторые наиболее распространенные типы биомедицинских приборов.

Принципы биомедицины

Молниеносно развивающийся рынок электронного оборудования в области защиты здоровья вызвал создание множества рабочих мест для профессиональных специалистов. Большинство больниц принимают на работу клинических инженеров и/или техников по биомедицинскому оборудованию, которые отвечают за электрическую безопасность и профилактическое техническое обслуживание, а также за выбор, ремонт и настройку аппаратуры. Производители постоянно нуждаются в опытных специалистах для сопровождения, ремонта и калибровки оборудования. Навыки, необходимые для такой работы, различаются в зависимости от уровня квалифицированной помощи, которую должен оказать специалист.

Для того чтобы тщательно оценить проблемы в таком оборудовании, необходимы глубокие знания физиологии и техники соответствующих измерений, а также понимание электроники. Крайне важно знакомство со стандартами безопасности и техническая компетенция, поскольку от работы приборов зависит жизнь пациента. Для работы с биомедицинским оборудованием часто требуется специальная подготовка. Некоторые школы предлагают специальные курсы. В других случаях можно получить аналогичный опыт, работая рядом с квалифицированным специалистом. Ассоциация но продвижению медицинской техники (Association for the Advancement of Medical Instrumentation — AAMI) выдает специальные сертификаты, получение которых требует подтверждения электронной подготовки, практического опыта и компетенции в ходе письменных экзаменов.

Требования безопасности

Возможно, вас ударяло током во время работы с электронным оборудованием. Надеемся, что вы пережили это с минимальными остаточными явлениями помимо увеличившегося уважения к правилам безопасности при работе с электричеством. Учитывая крайнюю важность безопасности, мы рассмотрим некоторые основные моменты.

Величина напряжения в электрических цепях является не единственным фактором, который определяет опасность для жизни человека. Не следует забывать о силе тока и сопротивлении тела.

Прохождение электрического тока через какую-либо часть тела имеет два негативных эффекта. Первый — выделение тепла, которое возникает каждый раз, когда ток проходит через кожу, где сосредоточено самое большое сопротивление. Второй — реакция нервов и мышц. Клетки реагируют на электрический ток так же, как на сигналы мозга, что может привести к сокращению мышц и оказывается сильнее нервной системы жертвы, заставляя мозг терять контроль над ситуацией.

Если через тело пройдет достаточный ток. может быть нарушена нормальная работа сердца и дыхания, что может обернуться смертельным исходом: пострадавший задохнется, или сердце перестанет перекачивать кровь. К несчастью, даже если источник тока убран, естественный ритм работы сердечной мышцы не всегда возвращается.

Прерывание ритма происходит, когда клетки сердечной мышцы теряют синхронизацию с соседними клетками. Вместо того чтобы работать вместе со скоординированными волнами сжатия, клетки начинают функционировать быстро и случайным образом. Это состояние называется фибрилляция желудочков. Многие случаи бытовой смерти — результат удара током. К трагедии может привести даже небольшой ток 100 мА, как показано в табл. 10.1.

Таблица 10.1. Физиологические последствия электрического удара

Уровень тока с частотой 50 Гц (при прохождении через обе руки) ∙ Физиологический эффект

10 мкA-100 мкА ∙ Рекомендуемые пределы тока утечки для медицинских приборов

100 мкА-1 мА ∙ Порог чувствительности. Может вызвать фибрилляцию желудочков при непосредственном воздействии на сердце

1 мА-10 мА ∙ Мускулы нанимают реагировать на ток. Может вызвать травму вследствие непроизвольной мышечной реакции. Болевой порог

10 мА-100 мА ∙ Паралич мышц. Пострадавший ив может двигаться. Дыхание все более затруднено

100 мА-1 А ∙ Вероятен смертельный исход. Дыхание останавливается. Пострадавший получает серьезные ожоги. Вероятна фибрилляция желудочков

Некоторые аспекты современного здравоохранения провоцируют серьезные проблемы, связанные с обеспечением электрической безопасности пациентов. Более того, есть множество опасностей, уникальных именно для биомедицинской сферы, которые специалист должен отчетливо понимать. Сюда относятся высокочастотное излучение и электромагнитные волны, рентгеновское лучи, сильные магнитные поля, биорастворы и вредные вещества. Мы касаемся мер безопасности в данной главе. Поговорим о базовой электрической безопасности. Помните, что пациент окружен и часто присоединен к приборам, которые работают от сети переменного тока 120 В. Прерыватели сети и плавкие предохранители этих приборов обычно рассчитаны на токи не менее 0.25А и призваны защищать сами устройства, а не пользователя. Нервные и мышечные ткани наиболее восприимчивы к удару током при частотах между 50 и 60 Гц.

Большинство мест, где ведется работа с пациентами, содержат различные жидкости: физиологические растворы (очень хороший проводник), растворы для внутривенного введения, человеческие отправления (моча, кровь, рвотные массы и т. д.), которые часто проливаются или протекают через электрическое оборудование. Эти жидкости часто образуют проводящую цепь, которая приводит пациента в контакт с источником электропитания.

Основной линией защиты тела против электрического тока является кожа. Сухой наружный покров тела — достаточно плохой проводник, но, пройдя через кожу ток обнаруживает электролитические жидкости, которые имеют малое сопротивление. Многие процедуры в больнице требуют проникновения через кожу. В дополнение к хирургическим, лечебные и физиотерапевтические процедуры, которые проводятся в палатах, также создают мостики через кожу: иглы для внутривенных инъекций, различные катетеры и дренажные трубки.

Диагностические приборы, такие, как кардиомониторы и мониторы для контроля кровяного давления, должны быть непосредственно подключены к пациенту. Если неисправность прибора заставляет ток течь через пациента, то спасения нет. Не стоит забывать, что люди со слабым здоровьем часто более восприимчивы к поражению электрическим током и менее защищены от него.

Как вы помните из предыдущих глав, система распределения питания, которая используется в зданиях, имеет три провода в розетке: черный (фазный), белый (нейтральный) и зеленый (земля). Проводка в больницах и промышленных зданиях более сложная, но подаваемое для практических целей электропитание также представляет собой стандартную розетку, такую же, как в жилых домах.

Зеленый провод — это проводник для обеспечения безопасности, который должен быть хорошо заземлен.

Нейтральный подключен одним концом к трансформатору и также связан с землей.

Фазный подключен к другому выводу трансформатора и имеет потенциал 120 В переменного тока выше потенциала земли.

Задача зеленого провода — гарантировать, что металлические корпуса электрических устройств не могут иметь более высокого напряжения. Он всегда связан с шасси, корпусом или каркасом электрического прибора. Фазный и нейтральный провода должны быть изолированы от каркаса или шасси.

Если в приборе возникает неисправность и фазный провод образует контакт с шасси, ток потечет через безопасный провод заземления, а не через человека, который коснется прибора, как показано на рис. 10.1.

Рис. 10.1. Безопасное заземление оборудования

Одна из процедур, которую необходимо всегда выполнять с оборудованием, предназначенным для ухода за пациентом, это проверка сопротивления заземления, которая требует использования очень точного омметра для измерения сопротивления между третьим выводом (земля) розетки и шасси. Оно должно быть меньше 500 мОм (0.5 Ом). Для достаточно точного измерения сопротивления используется специальный омметр с четырьмя проводами (рис. 10.2).

Рис. 10.2. Проверка сопротивления заземления с использованием четырех проводов

Два провода создают известный ток в проводе заземления. Два других измеряют напряжение, которое возникает между концами провода, и по закону Ома, пропорционально сопротивлению.

Даже если неисправности не возникает, определенный ток все равно имеет место вследствие емкостного взаимодействия фазного провода и шасси. Если провод заземления поврежден, этот ток может пойти от фазного провода на шасси и через пациента на землю, что называется током утечки. Для проверки тока утечки необходимо разомкнуть провод заземления и измерить ток, который будет идти между человеком, касающимся шасси, и землей. Человека заменяет стандартная тестовая нагрузка, изготовленная из резисторов и конденсаторов, которая имеет импеданс 1000 Ом. как показано на рис. 10.3. Вольтметр должен показывать меньше 100 мВ, что соответствует току менее 100 мА через «пациента».

Рис. 10.3. Проверка тока утечки

Выполнив эти два основных теста обеспечения безопасности, специалист по биомедицинскому оборудованию может предотвратить неприятности даже в том случае, если возникнет неисправность оборудования. Если фазный провод замыкается на шасси, провод заземления защитит пациента и сработает предохранитель. Если провод заземления замыкается на кабель питания, нормальный ток утечки гарантирует, что это не причинит вреда. Для оборудования, которое проходит регулярную проверку в рамках общей программы ни один из таких дефектов не может остаться незамеченным, а вероятность возникновения обоих в одном устройстве практически равна нулю. На рис. 10.4 показан тестер электрической безопасности промышленного назначения, который выполняет эти и другие проверки. Обратите внимание, что проверяемый прибор включается в анализатор, и для измерения сопротивления провода заземления кабель подключен к шасси.

Рис. 10.4. Тестер электрической безопасности

Одной из основных причин, почему больницы стали нанимать технических специалистов для обслуживания своего оборудования, стала необходимость обеспечения безопасности пациентов. Объединенная комиссия по аккредитации госпиталей (JCAH) — руководящий орган, который устанавливает стандарты электрической безопасности и инспектирует госпитали для подтверждения того, что оборудование прошло проверку и ведется учет всех выполненных действий. Без этого подтверждения больницы не могут считаться организациями обеспечения медицинского страхования в рамках государственных программ. Хотя обеспечение программы безопасности все еще является важной функцией инженерного департамента больниц, роль технического специалиста в области здравоохранения распространилась на многие другие области, что обеспечило значительную экономию в сфере больничной индустрии.

Сервисное обслуживание диагностического оборудования

Значительная часть оборудования, которое используется сегодня в больницах, служит диагностическим средством для докторов, медсестер и других работников здравоохранения. Развитие этого типа оборудования в значительной степени стало следствием космической программы 1960 годов. Наблюдение физиологических параметров астронавтов стало необходимым, поскольку тело человека впервые подвергалось воздействию неизвестной среды и сил. Например, в определенный период ученые считали, что человек не может выжить в условиях движения, выше скорости звука. Но потом появились сверхбыстрые машины, и ученые занялись изучением воздействия таких условий на человеческое тело.

Были разработаны методы и оборудование для измерения частоты сердечных сокращений, кровяного давления, параметров дыхания, температуры тела, электрической активности мозга и т. д. Часто эта информация передавалась в виде радиосигналов, для того, чтобы обеспечить человеку полную свободу движений. Все эти инструменты нашли применение на рынке услуг здравоохранения, и в 1970 годах стали возникать фирмы — поставщики биомедицинского оборудования.

Другие существующие технологии — рентгеновская и ультразвуковая визуализация (разработанная в результате исследований эхолокатора) были улучшены и стали применяться в медицине. Были созданы различные типы преобразователей для формирования электрических сигналов, пропорциональных таким показателям, как содержание в крови кислорода, двуокиси углерода, окиси углерода, различных токсинов и т. д. Были разработаны очень точные инструменты для измерения малых единиц напряжения, тока или сопротивления (проводимости) для формирования количественных оценок этих переменных величин.

Для того чтобы любой из этих приборов служил по своему назначению, медицинский персонал должен уметь протестировать его. Это поможет убедиться в точности результатов и провести настройки для коррекции расхождения между выходным сигналом, который должен быть, и выходным сигналом, который реально выдает прибор. Этот процесс обычно называется калибровкой. Для диагностического оборудования калибровка выполняется путем подачи на вход известной величины и настройки прибора для обеспечения соответствующего выходного сигнала. Формы входных и выходных воздействий могут быть очень разными для различных типов диагностических инструментов, более специфические детали будут обсуждаться при рассмотрении конкретного оборудования.

Во-первых, необходимо проверить работу сердца. В ситуациях оказания первой помощи необходимо найти пульс, прощупав изменение давлений в основных кровеносных сосудах. Наличие пульса говорит о том, что пострадавший жив, но не дает достаточной информации о текущем состоянии сердца пациента.

Сердце — мышечный орган, часть очень сложной структуры, известной как кровеносная система. У него есть локальная система управления, которая синхронизирует все аспекты сердечных сокращений и инициирует движение мышцы. Это очень похоже на работу пресса на производственных предприятиях, который снабжен программируемым логическим контроллером для синхронизации подачи исходного материала, выполнения операции и передачи готового изделия на следующий этап. Так же, как производительность пресса руководится крупной системой управления, частота сердечных сокращений ускоряется и замедляется нервной системой.

Мышечный орган делится на две половины, левую и правую, каждая их которых состоит из двух камер: верхней (предсердие) и нижней (желудочек). Задача предсердия — принимать из вен возвращающуюся из тела и легких кровь и подавать ее в желудочки — основные камеры насоса. Желудочки заставляют кровь идти в артерии для подачи в разные органы и легкие. Каждый удар сердца начинается в локальном нервном центре, который расположен в правом предсердии и называется синусно-предсердный узел. Синусно-предсердный узел изменяет ионный баланс вокруг, который можно измерить по изменению электрического напряжения. Этот маленький импульс заставляет соседние мышечные клетки сокращаться или деполяризовываться. Происходит цепная реакция, которая в результате дает волну сжатия мышцы, распространяющуюся вокруг и вниз по мышце предсердия. Это движение заставляет кровь идти через клапан в желудочки. Волна сжатия прекращается на уровне ткани, которая разделяет предсердие от желудочков. Импульс от синусно-предсердного узла передается также в атриовентрикулярный узел, который создает временную задержку, чтобы позволить предсердию завершить сжатие. После этой короткой задержки атриовентрикулярный узел выдаст импульс, передающийся но нервным волокнам в пучок Гиса, расположенный в нижней части внутренней стенки желудочков. Это создает волну мышечного сжатия изнутри наружу и снизу вверх в нижних камерах, которое выдавливает кровь в артерии.

Ионная активность мышечных клеток, связанная со сжатием и расслаблением, распространяется по всему телу и может быть измерена с помощью преобразования биологического (ионного) потенциала в электрический потенциал с помощью электродов. Электроды представляют собой небольшие металлические диски из серебра и хлорида серебра, см. рис. 10.5.

Рис. 10.5. Электроды ЭКГ

Они устанавливаются на адгезивный диск. Пропитанная электролитическим гелем губка создает контакт электрода с кожей, на котором всегда генерируется небольшой потенциал. Комбинация материала электрода и ионов тела работает как гальванический элемент. По мере того как ионы приходят и уходят вследствие сердечной активности, соответствующим образом меняется и напряжение на электродах. Это создает электрический сигнал, показывающий активность сердца. Получаемые формы сигналов называются электрокардиограммами (ЭКГ).

Электрокардиографы

Электрокардиограф представляет собой прибор, который записывает изменяющиеся во времени формы сигналов, отражающих работу сердца (рис. 10.6).

Рис. 10.6. Определения сигналов ЭКГ

Волна Р покалывает сжатие предсердия после запуска атриовентрикулярным узлом. Волны Q. R, S являются комбинированным результатом расслабления предсердия и сжатия желудочков. Волна Т является результатом расслабления желудочков. Измеряя высоту (амплитуду напряжения) и время между событиями, врач может узнать очень много об электрических показателях работы сердца. Для получения полной картины активности сердца, врач должен рассмотреть ее с нескольких точек зрения. Диагностическая ЭКГ дает 12 различных форм, каждая из которых представляет различные точки зрения или.

К пациенту присоединяются десять электродов. Три подключаются к верхней части правой половины груди (RA), к верхней части левой половины груди (LA) и нижней части живота (LL). Эти положения электродов часто называют правая рука, левая рука и левая нога, поскольку ранние варианты получения ЭКГ требовали ведер с соленой водой вместо небольших адгезивных электродов. Три электрода образуют треугольник вокруг сердца, создавая три угла наблюдения электрической активности. Вывод I идет от правой руки к левой руке, вывод II от правой руки к левой ноге, а вывод III от левой руки к левой ноге, как показано на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Треугольник Эйнтховена для электрических измерений

Три других модели сердца формируются с помощью измерения сигнала электрода на одной конечности относительно среднего значения двух других. Они называются AVR, AVL, AVF. Еще шесть электродов (V1-V6) располагаются по дуге на левой стороне грудной клетки. Каждый из этих выводов дает значение относительно среднего значения трех электродов конечностей. Десятый электрод прикрепляется в правой части живота (правая нога) для улучшения отношения сигнал/шум. Электрически каждый усилитель ЭКГ имеет только два входа, которые измеряют потенциал между двумя электродами. Диагностический ЭКГ имеет три таких усилителя и схему автоматического переключения для подключения усилителей к соответствующим электродам, установленным на пациенте.

На рис. 10.8 показаны сигналы для полной диагностики с помощью ЭКГ с 12 выводами.

Рис. 10.8. ЭКГ

Вертикальная шкала имеет масштаб 0.5 мВ на большое деление. Обратите внимание на калибровочный импульс 1 мВ слева. Комбинация из трех выводов записывается одновременно, и машина автоматически переключается на другие наборы выводов каждые 2,5 с. ЭКГ делится на четыре секции с результатами для трех проводов в каждой. В ходе теста выбираются три провода, которые задают ритм, они показаны в нижней части диаграммы. Современные аппараты ЭКГ выполняют автоматически целый набор измерений и вычислений, а также предлагают врачу диагноз, который он может принять или отвергнуть. Это можно видеть в верхней части диаграммы. Одноканальные ЭКГ мониторы используются для постоянного наблюдения пациентов в критическом состоянии. Эти приборы используют только электроды на конечностях. В типичном трехпроводном мониторе набор входных переключателей выбирает, какие два электрода измеряются. Усиленный сигнал ЭКГ оцифровывается и хранится в памяти, содержащей информацию за 5-10 с.

Формы выходных сигналов выводятся на экран ЭЛТ. Если медицинский персонал замечает аномалию, то по нажатию кнопке Record происходит запись этой информации, прежде чем она покинет экран. После этого данные распечатывается на бумажном носителе.

Поскольку эти биопотенциалы очень малы по сравнению с величиной электрического шума, который присутствует в современной окружающей среде, мониторы ЭКГ требуют специальных усилительных схем, которые называются дифференциальными усилителями. Дифференциальный усилитель производит измерения разности напряжений между двумя точками, не связанными с землей. Один вход дифференциального усилителя инвертируется, другой — нет. Эти два сигнала складываются. Любой сигнал, который присутствует на обоих входах, в частности, сигналы шума, возникшего в проводах, исчезают. Это называется синфазным сигналом. Любая разница между двумя электродами усиливается, обычно с коэффициентом 1000. Это называется дифференциальным усилением. Соотношение между дифференциальным усилением и синфазным усилением называется коэффициентом ослабления синфазного сигнала КООС (CMMR). Хороший аппарат для ЭКГ должен иметь этот коэффициент 100 000 или более, для того чтобы избавиться от шума и усилить сигнал.

Поскольку электроды подключаются непосредственно к коже пациента иногда на несколько дней подряд, не должно быть ни малейшего шанса, что ток пойдет от аппарата ЭКГ в пациента или из пациента в аппарат. Следовательно, все схемы усилителей ЭКГ должны быть полностью изолированы от земли, как показано на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Изоляция приемной и передающей стороны ЭКГ

Источник питания для дифференциального усилителя обычно изолируется трансформатором с низкой утечкой или преобразователем постоянного тока в постоянный ток для обеспечения отсутствия связи с землей шасси. Когда сигнал усиливается до уровня около 1 В, он проходит в другие части схемы через каскады гальванической развязки, обеспечивающие определенную форму изоляции. Обычно сигнал модулируется в сигнал более высокой частоты и проходит через трансформатор или оптический блок сопряжения для демодуляции на стороне с заземлением. Для диагностики ЭКГ полосовой фильтр устанавливает верхнюю точку спада на 100 Гц и нижнюю точку спада на 0,05 Гц. Для целей мониторинга верхняя частота устанавливается обычно 50 Гц для предотвращения влияния основного источника помех (электросеть), а нижняя частота обычно 0.1 Гц во избежание излишнего дрейфа базовой линии.

Многие аппараты ЭКГ содержат встроенный источник 1 мВ, который используется для калибровки. Часто оператор может отрегулировать коэффициент усиления таким образом, что когда на вход подается импульс 1 мВ, на выходе величина сигнала составит около 1 см. В таких случаях специалист по биомедицинскому оборудованию должен проверить внутреннюю калибровку с использованием высококачественного вольтметра.

Также специалист должен обеспечить генерацию точного входного сигнала 1 мВ и настроить коэффициент усиления в аппарате для обеспечения желаемого выходного отклонения на самописце или дисплее. Большинство поставляемых генераторов не имеет прецизионной регулировки уровня выходного сигнала. На выходе функционального генератора можно установить делитель напряжения, как показано на рис. 10.10. К сожалению, для настройки выходной амплитуды необходим очень качественный осциллограф с дифференциальным входом.

Рис. 10.10. Генерация входного сигнала 1 мВ

Другой способ получить сигналы столь низкой амплитуды заключается в использовании резисторов с малым отклонением от номинального значения, образующих прецизионную схему деления 100:1 или 1000:1, и применении осциллографа соответствующего класса точности для регулировки генератора при получении 0,1 В или 1,0 В соответственно. Другой подход состоит в использовании специально спроектированного симулятора ЭКГ, показанного на рис. 10.11. Многие из имеющихся устройств дают имитацию форм сигналов ЭКГ и кровяного давления, а также имеют выход калиброванных импульсов.

Рис. 10.11. Симулятор физиологических сигналов

Следует также выполнить и другие тесты: проверить частотную характеристику и коэффициент ослабления синфазного сигнала. Частота среза по ВЧ определяется точкой, в которой амплитуда сигнала уменьшится до 70 % своего исходного значения. Нижнюю граничную частоту найти не так просто. При частоте 0,05 Гц 1 цикл будет продолжаться 20 с, что сделает обычный тест очень утомительным занятием. Лучший метод заключается в подаче на вход последовательности прямоугольных импульсов с амплитудой 1 мВ и наблюдение времени, необходимого для того, чтобы выходной сигнал упал до 0,5 мВ. Чем большее время для этого требуется, тем ниже граничная частота. Это соотношение определяется формулой:

F = 0,22/Т, где Т — период следования прямоугольных импульсов.

Для измерения коэффициента ослабления синфазного сигнала подается сильный синфазный сигнал, наблюдается выходной сигнал и рассчитывается усиление синфазного сигнала, как это показано на рис. 10.12. Затем измеряется дифференциальное усиление, и их отношение дает искомый коэффициент. Минимально допустимым коэффициентом ослабления синфазного сигнала считается 100 000.

Рис. 10.12. Измерение коэффициента ослабления синфазного сигнала

Сопротивление утечки проводов и изоляция пациента также нуждаются в регулярной проверке. При тестировании просто проводятся измерения тока, уходящего через вход аппарата ЭКГ и через пациента при отключении аппарата от земли (рис. 10.13).

Рис. 10.13. Тест утечки проводов

Каждый провод должен иметь ток меньше 10 мкА. Тест изоляции определяет, сколько тока будет протекать от пациента на входы аппарата ЭКГ, если пациент коснется 220 В переменного тока, как это показано на рис. 10.14.

Рис. 10.14. Тест входной изоляции

Должным образом изолированный усилитель должен давать при этих условиях менее 20 мкА. Многие тестеры на электрической безопасности содержат такую стандартную функцию.

Большинство проблем, случающихся с аппаратами ЭКГ, связаны чаще всего с ошибками оператора и физиологическими факторами, а не неисправностями в схемах. Первичная проблема заключается в плохом контакте электродов. Это может быть вызвано многими причинами: высох гель для электродов, кожа пациента может иметь аномально высокое сопротивление, которое воздействует на эффективность работы электродов, адгезив не обеспечивает контакт с кожей в достаточной степени. Например, для людей с жирной кожей электрод и поверхность адгезивного диска должны быть целиком протерты спиртом. Для пациента с очень сухой кожей необходимо протереть спиртом кожу в месте контакта перед установкой электродов. В любом случае должен присутствовать гель для электродов.

Быстрый тест может идентифицировать проблему, если она связана с неисправностью одного из электродов. Просмотрите результаты, снятые каждым из электродов I, II, III. Если один из них неисправен, то два графика будут иметь излишний шум 50 Гц и сам выход будет некачественным. Третий график будет

нормальным. Дефект, вероятно, содержится в общем для двух некачественных изображений электроде.

Рис. 10.15 показывает два примера такого теста. В первом непосредственно после калибровочного импульса шум 50 Гц присутствует на выводах I, III. Это значит, что дефект в электроде левой руки. Во втором смещение базового уровня выводов II, III показывает, что проблема в электроде левой ноги.

Рис. 10.15. Признаки неисправности в одном из электродов

Если обнаружена неисправность электронной схемы, то наиболее эффективным будет подача сигнала моделирования ЭКГ, а также инспекция прохождения этого сигнала по схеме. Методика «разделяй и властвуй» эффективна в процессе исключения, который применяется и в других системах. Любые детали на замену, особенно схема изолированного предусилителя, должны приобретаться у производителя оборудования для обеспечения их соответствия характеристикам изоляции и коэффициента ослабления синфазного сигнала.

Электроэнцефалографы

Биопотенциалы вырабатываются и другими органами. Еще один диагностический инструмент, подобный ЭКГ, это электроэнцефалограф. ЭЭГ измеряет нервную активность мозга и выдаст формы сигналов, которые распечатываются многоканальным самописцем (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Электроэнцефалограф

Этот прибор часто используется для наблюдения пациента, подключенного к системе поддержания жизнедеятельности, чтобы следить за работой мозга для обследования больных с различными неврологическими и сенсорными проблемами.

ЭЭГ имеет много усилителей и проводов, которые позволяют поместить на волосистую часть кожи головы множество электродов и наблюдать возникающую картину одновременно. Сигналы имеют среднюю амплитуду 50 мкВ, что делает коэффициент ослабления синфазного сигнала очень важным показателем для ЭЭГ. Обслуживание прибора с множеством идентичных каналов дает несколько удобных возможностей специалисту. Изготовители часто собирают подобные аппараты с использованием модулей, так что каждый усилитель представляет собой отдельный модуль. Если в одном канале возникает неисправность, можно менять местами платы предусилителей, чтобы проверить, переходит ли дефект на другой канал (проблема в плате) или же неисправность остается на месте (проблема может быть в кабеле, идущем к пациенту или выходных устройствах).

Электромиографы

Электромиограф (ЭМГ) используется для измерения реакции скелетных мышц. Измерения времени реакции, которые называются исследованиями нервной проводимости и скорости проводимости, могут выполняться с помощью стимуляции нервной системы импульсом тока, например, на кисти, и измерения реакции на мышцах плеча, что дает ценную информацию медику. Так, защемленный нерв замедляет скорость импульса, это увеличивает задержку или время задержки. ЭМГ также позволяет измерить множество различных показателей мышечной активности, например, действие сфинктеров. Мочевой пузырь накачивается, как воздушный шар, двуокисью углерода, и электроды измеряют реакцию мышц, пытающихся удержать его. Другие аппараты ЭМГ используются в операционных для измерения неврологической активности во время сложных операций на мозге и позвоночнике.

Все приборы, которые измеряют биопотенциалы — ЭКГ, ЭЭГ и ЭМГ — имеют очень малые значения входных сигналов и используют усилители, которые должны быть изолированы от земли. Это может вызвать определенные затруднения у специалиста при прослеживании сигнала от входа до выхода. Использование обычного, заземленного осциллографа с одним щупом может вызвать значительный шум в схеме. Кроме того, осциллограф сам по себе не может работать с низкими уровнями сигналов при очень малом отношении сигнал/шум. Лучший выход — использовать высококачественный дифференциальный осциллограф, у которого ни один из входных каналов не проводит измерения относительно земли. Многие двухканальные осциллографы позволяют инвертировать канал 2 и суммировать его с каналом 1 для обеспечения дифференциальных измерений. После того как сигнал был усилен изолированным предусилителем, можно вспомнить о традиционных методах обслуживания аналоговых схем.

Самописцы

Все описанные выше устройства, связанные с измерением биопотенциалов, используют самописцы для распечатки результатов проведенных тестов — механизмы. подающие бумагу с постоянной скоростью через устройство, которое ставит на бумаге пометки. Бумага перемещается по оси X, а устройство, делающее пометки, — по оси Y. Это дает график изменения биологического сигнала во времени. В более старых самописцах усиленный биологический сигнал подастся в двухтактный усилитель с выходным током, достаточным для отклонения катушки гальванометра. Перо, которое механически закреплено на выходном валу гальванометра, ставит отметки на бумаге.

Многие самописцы в прошлом использовали перо с подогревом острия и термочувствительную бумагу. Ширина линии определялась количеством тепла на острие пера. Постепенно на кончике пишущего механизма накапливалась грязь, что давало очень широкие линии, сигнализирующие о том, что настало время для замены.

Другие производители использовали чернильные перья. Эти системы при правильной настройке давали очень высококачественные графики. Перо было просто капиллярной трубкой, конец которой находился в контакте с бумагой. Чернила выходили под давлением. Если перо не было настроено для обеспечения контакта с бумагой по всему периметру, чернила образовывали капли и расплывались. Одной из процедур технического обслуживания для этих приборов была тщательная очистка острия пера с помощью бумаги.

Сейчас индустрия здравоохранения все еще использует значительное число упомянутых самописцев. Однако в последние годы наметилась тенденция к использованию цифровой регистрации физиологических сигналов.

Цифровые самописцы используют линейный массив нагревательных элементов с цифровым управлением. Они располагаются очень близко друг к другу и могут давать весьма четкие линии на любом месте страницы. По мере того как бумага подается через нагревательный элемент, цифровая форма физиологического сигнала нагревает соответствующие точки элемента, что в результате приводит к образованию отметки на бумаге. С помощью того же элемента можно напечатать буквенно-цифровые символы, посылая сигналы на соответствующие термоэлементы, что похоже на то. как компьютер посылает их на матричный принтер. Некоторые системы используют даже рулон теплочувствительной бумаги и печатают масштабную сетку на диаграммах вместе с биосигналом (рис. 10.17).

Рис. 10.17. График на ленте самописца, полученный цифровым способом

Рентгеновские установки

Рентгеновское излучение было открыто в начале XX века и быстро стало важнейшим инструментом в медицине. Над технологией построения подобных машин размышлял еще Эдисон около ста лет назад. Главное достоинство этого изобретения в способности проникать сквозь объекты. Рентгеновские лучи представляют собой жесткое коротковолновое электромагнитное излучение, подобное свету и радиоволнам, действующее на фотопленку и флуоресцентные материалы. Таким образом получается изображение. Современные рентгеновские установки значительно продвинулись в эффективности, качестве изображений, системах управления, безопасности и обработке результатов с помощью компьютеров.

Когда электромагнитное излучение попадает на материалы с различными свойствами, одна часть его отражается, другая поглощается, а третья проходит сквозь материал. Частота излучения, энергетический уровень, тип материала определяют соотношение между этими тремя составляющими. Рентгеновские лучи могут проходить через мягкие ткани гораздо легче, чем через кости. Для получения рентгеновского снимка пациента помещают между источником рентгеновского излучения и фотопленкой. Лучи, которые проходят через ткани, оставляют на пленке темные области, а области, которые ослабляют прохождение рентгеновских лучей (кости), дают на пленке прозрачные участки. В результате получается снимок структуры костей больного. Это требует очень короткого, относительно сильного импульса рентгеновского излучения.

Другой тип процедуры называется рентгеноскопическим исследованием, когда небольшая доза излучения пропускается через пациента в течение некоторого времени. Вместо фотопленки устанавливается покрытый фосфором экран, который преобразует изображение в рентгеновских лучах в видимое изображение. На этот экран направляется видеокамера, которая затем дает подвижную картину изменения рентгеновского изображения. Таким образом получают изображение пищеварительного тракта. Пациент глотает некоторое количество непроницаемого для излучения раствора (смесь бария с молоком), а рентгенолог наблюдает на экране монитора, как раствор движется по пищеводу.

Рентгенография также очень полезна для кардиологов при пропускании катетера через артерию в сердце. После этого они вводят непроницаемую для радиации жидкость в коронарные артерии. Жидкость видна на экране монитора, создавая изображение артерии. Эта процедура называется коронарная ангиограмма. Хотя кровеносные сосуды, через которые проходит катетер, не показаны на рентгеновском изображении, врач может наблюдать движение катетера по артериальной системе и по характеру перемещения определить, не встречает ли он препятствий и не смещается ли он.

Электромагнитное излучение возникает, когда электрон ускоряется и соударяется с мишенью. Частота его определяется молекулярной структурой мишени. Этот принцип используется в электронно-лучевых трубках и мониторах компьютеров. Электроны ударяются в мишень (фосфор экрана), который излучает видимый свет. Трубка рентгеновского излучения работает точно гак же, но при помощи вольфрамовой мишени, которая дает излучение с частотами, лежащими в диапазоне спектра рентгеновских лучей.

Рентгеновская трубка имеет катод с нитью подогрева, анод или мишень, и в ней соблюдается полный вакуум. Нагреватель вызывает термоэлектронную эмиссию электронов из катода. Между катодом и анодом подается очень высокое напряжение. Положительный заряд анода притягивает эмитированные из катода электроны, и они ускоряются в вакууме до тех пор, пока не столкнутся с анодом. Более 99 процентов энергии преобразуется в тепло. Только 1 процент преобразуется в рентгеновские лучи.

Рис. 10.18 показывает трубку с неподвижным анодом, аналогичную установленной в рентгеновском аппарате дантистов.

Рис. 10.18. Рентгеновская трубка с неподвижным анодом

Поскольку здесь необходимы только короткие сигналы с низким уровнем энергии, на аноде рассеивается немного тепла. Для процедур, требующих большей мощности, например, получения рентгеновского снимка груди профессионального футболиста, фиксированный анод не может рассеять такое количество тепла. Для решения этой проблемы используется трубка с вращающимся анодом, показанная на рис. 10.19.

Рис. 10.19. Рентгеновская трубка с вращающимся анодом

Анод представляет здесь ротор индукционного двигателя. Катушка статора окружает эту стеклянную трубку с вакуумом и создает магнитное поле, которое вращает якорь внутри трубки. Электронный луч попадает на скошенный край вращающегося вольфрамового диска, прикрепленного к якорю. Хотя рентгеновские лучи всегда возникают в одной и той же точке, тепло распространяется по всему диску. Некоторые трубки имеют кожухи водяного охлаждения для отвода тепла от анода.

Рентгеновские установки внешне очень просты и незамысловаты. Для получения качественных изображений необходимо контролировать только три переменных:

1. Напряжение на трубке (в киловольтах — кВ).

2. Ток электронного луча (в миллиамперах — мА).

3. Время, в течение которого включен электронный луч (в миллисекундах — мс).

Конечно, метод электронного контроля этих переменных и различные периферийные устройства и средства безопасности могут быть достаточно сложными.

Напряжение на трубке влияет на проникновение рентгеновского луча за счет воздействия на скорость, с которой электроны ударяют о мишень. Когда на мишень попадают электроны с низкой скоростью, большая часть их энергии преобразуется в тепло или фотоны низкой энергии, которые не вносят вклада в получение изображения. Энергетический уровень оказывает также влияние на частоту излучения. Управление высоким напряжением достигается за счет использования различных соотношений числа обмоток трансформатора, который подает напряжение на рентгеновскую трубку. Средства управления, которыми пользуется оператор, обычно представляют собой механические переключатели низкого напряжения, которые используются для переключения реле, контролирующих напряжение трубки.

Катодный ток обычно регулируется с помощью изменения балластного сопротивления. Различные производители используют разные методы управления током.

Продолжительность воздействия также может регулироваться разными способами. В старых системах часто использовался простой заводной механический таймер, который размыкал контакты первичной цепи по истечении времени. Для современных систем могут использоваться резистивно-емкостные или цифровые схемы задания времени различного типа. Когда оператор нажимает на кнопку старта, контакты замыкаются и ток течет в первичной цепи. После завершения заданного времени, контакты размыкаются, прекращая воздействие. Рис. 10.20 показывает простую систему управления рентгеновской установки.

Рис. 10.20. Простая система управления рентгеновской установки

В современных рентгеновских установках применяются различные предохранительные средства безопасности и соответствующие системы управления. Например, вращающийся анод в полностью изолированной трубке с вакуумом до начала воздействия должен быть разогнан до полной скорости, а затем быстро снизить скорость для предотвращения износа подшипника. Схема управления рентгеновской установки должна обеспечивать разгон анода до начала воздействия. В установочном оборудовании рентгеновских аппаратов предусмотрены и другие средства защиты от случайного воздействия. Методы контроля температуры нагрева предотвращают повреждение дорогостоящей трубки.

Специалист по биомедицинскому оборудованию должен знать все механизмы управления в системе рентгеновской установки, для того чтобы найти причину неисправности. Умение читать логические и другие схемы очень важна для обслуживания таких систем. Высокие напряжения во вторичных цепях могут быть очень опасны, и это необходимо учитывать. Многие схемы системы контроля находятся под напряжением 220 В, и через них проходит значительный ток, что может превратить специалиста в пациента или привести к летальному исходу. Дополнительный риск состоит в неоднократном воздействии рентгеновских лучей, которые оказывают негативное воздействие на организм, в частности, на глаза и половую систему. Считается, что лучи вызывают нарушения в большинстве жизненно важных органов. К несчастью, радиацию невозможно обнаружить без специального оборудования. Однако вы можете руководствоваться звуками управляющей системы, которая генерирует излучение. Специалист должен всегда находиться за защитной стенкой во время старта установки и рентгеноскопии, всегда носить защитный свинцовый фартук. Сотрудники, работающие с рентгеновским оборудованием, в том числе и специалист по обслуживанию, должны носить учетную карточку, на которой указано количество радиации, воздействию которой они подверглись в течение месяца.

Наиболее важными инструментами при работе с рентгеновским оборудованием являются цифровой вольтметр и осциллограф. Необходимо в любом случае измерять напряжение и ток на стороне высокого напряжения трансформатора. для чего нужен делитель напряжения высокой точности. Этот прибор должен иметь совместимые разъемы для подключения к рентгеновскому аппарату, и должен быть способен изолировать пользователя от напряжения до 100 000 В. Высокое напряжение делится в 1000 раз и его можно измерить осциллографом или цифровым вольтметром (рис. 10.21). Пробник постоянного тока с зажимами полезен для измерения тока в трубке без подключения амперметра к схеме.

Рис. 10.21. Высоковольтный делитель для калибровки рентгеновской установки

Делитель напряжения и пробник тока, описанные выше, полезны при выполнении калибровки и тестирования выхода и специфических операций. Время воздействия измеряется по сигналам на экране осциллографа, снятого с делителя напряжения. Эти тесты должны выполняться регулярно для гарантии того, что пациент не получает слишком большую дозу облучения, и пленка реагирует на первый импульс (так что техник не должен выполнять несколько пусков).

Важно также общее качество изображения. Разрешение системы определяет степень детальности, которую может обеспечить изображение. Обычно для оценки этой характеристики используется тестовая сетка, которая изготавливается из нескольких проволочных ячеек, вставленных в прозрачную для излучения среду. например, пластик. Скажем, одна ячейка сетки может иметь шестнадцать линий на 2,54 см, следующая — 32 линии на 2,54 см и т. д. (рис. 10.22).

Рис. 10.22. Тестовая сетка для рентгеновской установки

Здесь сетка экрана (прямоугольники справа), пластинки из трех различных материалов (горизонтально расположенные справа), металлические диски нескольких диаметров (слева) и другие материалы, обычно используемые в медицинских процедурах (вверху и внизу). Тестовая сетка помещается на рентгеновский стол, выполняются снимки при различных установках напряжения и тока.

Значительная часть технического обслуживания, которого требует рентгеновский кабинет, является механической. Столы с приводами от моторов для наклона и выдвижные части столов требуют регулярного осмотра и смазки. Механизмы с противовесами, которые позволяют технику весом 50 кг работать с оборудованием весом более 100 кг. должны быть тщательно настроены. Используются также системы безопасного торможения, предотвращающие травмы. которые может нанести головка установки, если откажет держатель.

Компьютерный томограф

Описание рентгеновских систем будет неполным без обзора наиболее комплексных на сегодня рентгеновских систем, которые называются компьютерными аксиальными томографами. Компьютерный аксиальный томограф использует генератор рентгеновских лучей и устройство формирования цифрового изображения, расположенный на вращающейся на 180° каретке. Пациент помещается в центре этого механизма через тороидальное отверстие. Часть тела больного, которая должна быть исследована, помещается на пути рентгеновского луча. Система циклически снимает рентгеновское изображение и вращает каретку, как показано на рис. 10.23.

Рис. 10.23. Механизм компьютерного аксиального томографа

После того как были получены и оцифрованы все изображения, компьютер составляет двумерную модель, которая показывает разрез тела пациента (рис. 10.24).

Рис. 10.24. Изображение головы, полученное с помощью компьютерного аксиального томографа

Компьютерный аксиальный томограф представляет собой очень дорогое и сложное электронно-механическое оборудование. Для того чтобы окупить затраты, его нужно постоянно использовать, но при этом приходится, соответственно, нести расходы на оплату труда сервисного инженера. Изготовители компьютерных аксиальных томографов часто предоставляют сервисного представителя для систематического технического обслуживания и решения проблем, в течение нескольких часов, как часть сервисного контракта с больницей. Только сервисный контракт на обслуживание таких систем может стоить 100 000 долларов в год. Если работающий в больнице специалист но обслуживанию биомедицинского оборудования отвечает за компьютерный аксиальный томограф, необходимо, чтобы он прошел подготовку на предприятии-изготовителе, чтобы гарантировать быстрое получение запасных частей.

Магнитно-резонансные системы

Одним из наиболее впечатляющих высокотехнологичных приборов, которые разработаны в области биомедицины, являются системы магнитно-резонансной томографии (или ядерно-магнитный резонанс — ЯМР) — рис. 10.25.

Рис. 10.25. Пациент в цилиндре для сканирования установки ЯМР

Как описано выше, компьютерный аксиальный томограф может реконструировать данные из нескольких рентгеновских изображений для формирования разрезов внутренних органов и структур тела. Оборудование ЯМР может создавать аналогичные изображения и не так ограничено в ориентации срезов. Кроме того, этот метод не подвергает пациента вредному ионизированному воздействию радиации (рентгеновских лучей), поскольку он вместо излучения использует магнитные поля.

Полное описание принципов работы установок ЯМР лежит за пределами предмета данной книги. Мы рассмотрим только некоторые базовые концепции. Поскольку атомы нашего тела вращаются, они образуют магнитные полюса: северный и южный. Ориентация полюсов случайна, и поэтому мы не создаем четкой магнитной ориентации. Однако если нас поместить в очень сильное магнитное поле, все наши полюса выстроятся в одном из двух направлений (параллельно или противоположно) внешним линиям магнитного потока. С помощью высокочастотного радиоимпульса можно заставить магнитные полюса изменить направление. Это высвобождает некоторое количество высокочастотной энергии, частота излучения которой связана с природой тканей и интенсивностью магнитного ноля.

Магнитное поле генерируется таким образом, что его интенсивность возрастает линейно по наблюдаемой оси. Следовательно, радиочастоты, которые образуются при перемещении атомов, показывают их расположение в магнитном поле. Эта информация собирается антеннами в сканирующей камере и компьютером для формирования изображения.

Пациент располагается таким образом, что все его тело находится внутри длинной грубы (см. рис. 10.25). Вокруг трубы расположены сверхпроводящие электромагниты, которые создают сильное магнитное поле, для поляризации атомов пациента. Больной ничего не чувствует, за исключением, может быть, некоторых симптомов клаустрофобии. Компьютерное оборудование и рабочее место оператора обычно расположены отдельно или даже в другом помещении, как показано на рис. 10.26.

Рис. 10.26. Рабочее место для обработки данных и управления установки ЯМР

Магнитно-резонансное изображение способно показывать различия в мягких тканях лучше, чем получаемые компьютерным аксиальным томографом с помощью рентгеновских лучей, и может показать сечение пациента по любой из трех осей. На рис. 10.27 показано магнитно-резонансное изображение живота сбоку. Обратите внимание налетали позвоночника и хрящевые диски между позвонками, а также различные органы живота. Оборудование ЯМР особенно чувствительно при изображении мягких тканей, в то время как компьютерный аксиальный томограф хорошо отображает костные структуры.

Рис. 10.27. Магнитно-резонансное изображение области нижней части спины и близлежащих органов

Оборудование ЯМР представляет собой очень сложную систему, состоящую из многих взаимосвязанных подсистем. Для того чтобы диагностировать и исправлять проблемы такого комплексного оборудования, абсолютно необходима подготовка на предприятии-изготовителе и специальные меры предосторожности при работе с устройством из-за интенсивных магнитных полей. Любые магнитные носители, например, компьютерные диски, оставленные в кармане, выйдут из строя, если окажутся в одном помещении с установкой ЯМР. Инструменты могут быть вырваны из рук человека, даже находящегося на расстоянии нескольких метров от сканирующего туннеля. Вследствие специфической природы устройства и этих непривычных особенностей, к работе с любой частью системы ЯМР допускаются только специально подготовленные специалисты, будь то компьютерные проблемы или скрип подшипника на столе для пациента.

Работа с такой сложной системой, как установка ЯМР, может показаться непосильной задачей для начинающего специалиста. Однако, если система не выполняет каких-либо из основных функций, а их взаимоотношения понятны, становится очевидно, что в оборудовании ЯМР используются те же схемы, которые применяются для создания телевизионной аппаратуры. Для обслуживании прибора требуется умение рассуждать на основе доступных фактов.

Ультразвуковое диагностическое оборудование

Ультразвуковые технологии были разработаны во время Второй мировой войны для морских систем эхолокации. Сегодня те же принципы используются для получения информации состоянии тела человека без хирургического вмешательства. Звуковое и ультразвуковое оборудование основано на том факте, что звук имеет известную скорость. Когда звуковые волны встречают границу раздела материалов с разной плотностью, часть энергии отражается назад к источнику. Измеряя время, которое прошло между созданием исходного импульса и возвращением «эха», можно определить расстояние до объекта.

Частота ультразвуковых волн выше 20 кГц. Обычно их генерируют, заставляя пьезоэлектрический кристалл вибрировать на его собственной резонансной частоте с помощью приложения импульсного переменного высокого напряжения к его граням. По мере того как звуковой импульс идет от преобразователя, он ослабевает. Если он встречает изменение в плотности среды, только часть звука отражается и возвращающийся сигнал ослабевает еще больше. Следовательно, эхо от близлежащих объектов значительно сильнее отражения от объектов, расположенных далеко. Для компенсации этого эффекта схема приемника эха должна увеличивать свой коэффициент усиления вместе с отсчетом времени от начального звукового импульса. Выполняющая эту регулировку схема называется дифференциальной регулировкой усиления, и ее работа показана на рис. 10.28. После получения всего отраженного импульса генерируется следующий импульс, и процесс повторяется.

Рис. 10.28. Дифференциальная регулировка усиления ультразвуковых сигналов

Существует много способов отображения информации, полученной с помощью подобного эха. A-режим дает информацию о расстоянии между границами и величине эха, которая представляет собой количественную оценку разности плотности между двумя веществами на границе. Этот тин информации можно получить с помощью осциллографа, как показано на рис. 10.29.

Рис. 10.29. Пациент в цилиндре для сканирования установки ЯМР

Толстый хрящ возле виска дает сильное эхо. тонкая граница перегородки, разделяющей мозг, дает меньшее эхо, череп или хрящ на другой стороне головы — сильное эхо.

Этот режим предназначен для наблюдения движения тканей, например, сердца. Вместо того чтобы подавать эхо-сигнал на вертикальную ось, как это имеет место в осциллографе, он подается на ось z (интенсивность). Сильное эхо вызывает на экране яркую точку, слабое эхо дает более тусклую точку. Светочувствительная бумага, проходящая через электронно-лучевой дисплей с одной линией элементов со скоростью около 25 мм/с, даст распечатку эхосигнала в М-режиме. Обратите внимание на рис. 10.30-удары сердца заставляют аорту двигаться немного ближе к преобразователю и дальше от него.

Можно видеть, что клапан перемещается вперед и назад в основании аорты при каждом ударе сердца.

Рис. 10.30. Изображение сердечного клапана в М-режиме

Наиболее удивительная форма ультразвукового изображения — сканирование в В-режиме — выполняется с помощью перемещения преобразователя по дуге с повторяющимися импульсами и дает веерообразный разрез исследуемой ткани, образованный множеством векторов наблюдения, как показано на рис. 10.31.

Рис. 10.31. Работа секторного сканера в В-режиме

Каждое возвращающееся эхо представлено в виде точки, интенсивность которой индивидуальна для каждого текущего вектора сканирования. При одновременном показе всех векторов сканирования можно видеть границу ткани, как показано на рис. 10.31.

Реальный вид в М-режиме четырех камер сердца показан на рис. 10.32. Для получения изображения преобразователь помещается под грудной клеткой и направляется на сердце. Поэтому верхушка и левый желудочек находятся в верхней части экрана.

Рис. 10.32. Сканирование сердца в В-режиме

Одним из способов получения такого дугового изображения из ультразвуковых векторов является построение вращающегося преобразователя. Эти устройства имеют встроенный в конец преобразователя двигатель. Электрические импульсы возбуждения кристалла поступают от электронного блока через кольца коммутатора, которые позволяют кристаллу вращаться. При достижении заданного угла кристалл испускает быструю последовательность импульсов, позволяющую сформировать векторы звуковых волн и получить информацию об эхе. Преимущество этого метода заключается в использовании одного кристалла преобразователя и связанной с ним схемы приема и передачи. Основной недостаток заключается в том, что в преобразователе появляются движущиеся части, что делает его очень уязвимым к физическому повреждению, механическому износу и может вызвать шумы в сигнале.

Другим вариантом является ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования снабженный множеством отдельных кристаллов, образующих прямую линию. Каждый кристалл имеет свою цепь передачи и приема. Управляя порядком включения кристаллов можно генерировать определенную волну, которая будет направлена но радиальной линии сектора. Этот сигнал принимается и усиливается каждым кристаллом, затем сигналы суммируются и дают один вектор сканирования. Преимущество этого датчика заключается в том, что вектор формируется без использования движущихся частей. Обычно преобразователи ультразвуковых датчиков для конвергентного сканирования меньше, чем преобразователи с вращающейся головкой.

Изготовить головку преобразователя с множеством мелких кристаллов достаточно сложно и очень дорого. Множество плат приемников и передатчиков увеличивает стоимость систем с ультразвуковыми датчиками конвергентного сканирования, но это может оказаться полезным при обслуживании таких устройств. Типичный секторный сканер показан на рис. 10.33. Ультразвуковой датчик для конвергентного сканирования находится слева от прибора, а на экране показано сохраненное изображение.

Рис. 10.33. Типичный секторный сканер для эхокардиографии

Все эти приборы предоставляют собой достаточно сложные цифровые преобразователи, которые превращают информацию звуковых векторов в видеоизображения, чтобы вывести на стандартный растровый монитор. Большинство этих систем оцифровывают аналоговый сигнал яркости для каждого вектора и выполняют различные функции цифровой обработки для улучшения окончательного изображения.

Вследствие природы схем ультразвукового датчика для конвергентного сканирования, печатные платы секций приема и передачи обычно устанавливаются в корпус, что затрудняет измерения. Для того, чтобы работать с такой печатной платой, необходима специальная плата-переходник, поставляемая изготовителем. Она обеспечивает механическую фиксацию и электропитание исследуемой платы вне корпуса. На практике очень трудно увидеть воздействие одной платы приема-передачи на качество изображения. Хорошее изображение можно получить, даже если удалить несколько плат, так как каждая из них дает не отдельный вектор изображения, а участвует в обеспечении точности и полноты каждого вектора в сканировании сектора.

Для проверки выхода платы приема-передачи необходимо с помощью осциллографа наблюдать каждый принимаемый сигнал до суммирования. Понимание функций базовой секции очень важно для локализации неисправности в таком сложном устройстве.

Если проблема заключается в плохом качестве изображения, специалист по биомедицинскому оборудованию должен определить, имеет ли место неисправность в самом оборудовании, или прибор неправильно используется. Ничем нельзя заменить опыт при определении правильности формирования изображения. Вес пациента, структура костей, положение датчика и т. д. влияют на качество изображения. Большинство специалистов очень хорошо знают изображение собственного сердца при правильной работе установки и при стандартном положении органов управления. Поместив датчик между ребер, специалист немедленно получает изображение. Это помогает ему попять, насколько хорошо работает прибор.

Значительное время при работе с этими устройствами тратится скорее на калибровку, чем на поиск неисправностей. Большинство обычных жалоб касаются именно качества изображения. Аналоговые эхосигналы переводятся в различные оттенки серого циста и сохраняются в преобразователе. Сигналы обрабатываются с использованием средних значений и интерполяции для придания плавности изображению и уменьшения воздействия шума. Даже если все схемы сбора и обработки данных работают отлично, изображение должно еще быть выведено на самописец или экран. Специалист должен регулярно калибровать видеосекцию для обеспечения должной яркости и контрастности. Генераторы тестовых сигналов часто встраиваются в систему для регулировки чистоты изображения и проверки способности устройства показывать все оттенки серого.

Измерения расстояний также необходимо проверять с помощью тестовой модели. Тестовая модель представляет собой блок из материала, который может проводить звуковые волны с такой же скоростью, как человеческое тело.

В блок встраиваются металлические объекты, которые будут давать отражение сигнала. Поскольку расстояние от датчика до каждого металлического объекта известно, можно настроить систему ультразвуковых измерений для соответствия этим величинам.

Лабораторные инструменты

В клинической лаборатории используется множество приборов для анализа крови и других жидкостей организма с помощью тестов. Большинство из них работают по сходным принципам и являются достаточно сложными автоматизированными приборами. Через определенные промежутки времени они автоматическим калибруют сами себя для обеспечения заданного стандарта, часто это происходит каждый час или два. Они автоматически перемещают образец в зону контакта с тем или иным типом датчика, что вызывает изменение напряжения, тока или сопротивления, пропорциональное измеряемой физиологической переменной. После стабилизации величины и получения результатов, образец смывается, и машина промывается для подготовки к обработке нового образца. Для объяснения основных принципов работы лабораторных инструментов мы остановимся на газовом анализаторе артериальной крови. Это типичный инструмент для больничных лабораторий, используемый при состояниях больного, близких к критическим.

Газовый анализатор артериальной крови

Нередко пациенты в очень тяжелом состоянии подключаются к системе жизнеобеспечения. Одним из наиболее важных приборов такого рода является вентилятор, который подает воздух в легкие пациента через регулярные интервалы. Врач, специалист по респираторным заболеваниям, определяет необходимый объем дыхания и частоту, с которой должен дышать пациент. Простого правила, которое определило бы необходимое количество воздуха для каждого пациента, не существует. Многие величины (вес, метаболизм, емкость легких, эффективность их работы и другие факторы) определяют, какое дыхание нужно пациенту; чтобы в его кровь поступало нужное количество кислорода и чтобы удалить двуокись углерода.

Лучший способ узнать, работают ли легкие правильно (и с вентилятором и без него), заключается в том, чтобы взять пробу крови из артерии и измерить содержание кислорода и двуокиси углерода. Другой важный параметр крови, на который действуют легкие — кислотно-щелочной баланс, который называется pH. Измеряя эти переменные, можно установить скорость вращения и, соответственно, объем подачи воздуха в легкие для обеспечения адекватного выполнения их функции. Поскольку результаты часто нужно получить очен», быстро для принятия критических решений по вопросу жизнеобеспечения, газовый анализатор крови часто располагается непосредственно в отделении жизнеобеспечения, очень близко к палатам пациентов.

Современный газовый анализатор артериальной крови представляет собой очень сложную автоматическую систему (рис. 10.34).

Рис. 10.34. Газовый анализатор артериальной крови

Для анализа пробы крови открывается дверка или крышка, и появляется небольшая металлическая трубка. Кровь из шприца вводится в трубку. Когда введено достаточное количество, прибор просит оператора прекратить подачу и закрыть дверцу. Насос втягивает пробу через внутреннюю систему трубок в зону, где он вступает в контакт с тремя электродами или датчиками. После стабилизации показаний датчиков данные записываются и насос с помощью соляного раствора начинает откачивать пробу в сливную емкость. После промывания через трубки прокачивается воздух для подготовки к обработке нового образца.

Один из датчиков называется рН-электродом. В растворе рН определяется с помощью измерения небольшого потенциала, который образуется между активным электродом и эталоном, находящимся в контакте с раствором. Активный электрод запечатан в стеклянную трубку, наполненную буферным раствором.

Кончик трубки изготовлен из pH-чувствительного стекла, которое вступает в контакт с образцом. На стеклянном кончике трубки образуется разность потенциалов ионов. Эталонный электрод всегда находится в контакте с раствором хлорида калия (КСI), который накачивается через трубки до тех пор, пока не вступит в контакт с образцом крови. Электроды преобразуют разность потенциалов между кровью и буферным раствором в пропорциональное рН-напряжение.

Электронная схема для измерения рН фактически представляет собой очень точный вольтметр с высоким входным сопротивлением.

Электрод рСО_2, изготавливается при помощи электрода pH, вставленного в пластиковую трубку, наполненную инертным буферным раствором. Стандартный электрод располагается в трубке таким образом, что вступает в контакт с буферным раствором, который отделен от крови очень тонкой полупроницаемой тефлоновой мембраной. Когда СО_2, из крови проходит через мембрану, он значительно изменяет ионный потенциал между буферными растворами с каждой стороны рН-чувствительного стекла. Измеренное напряжение пропорционально парциальному давлению СO_2 в крови.

Для изготовления электрода рO_2 два электрода из серебра помещаются в трубку с буферным раствором. Буферный раствор отделен от крови полу проницаемой мембраной. Когда молекулы кислорода проникают сквозь мембрану и вступают во взаимодействие с буферным раствором, проводимость буферного раствора меняется пропорционально парциальному давлению кислорода в крови. Блок электроники просто измеряет проводимость раствора, пропуская через него известный ток и измеряя разность потенциалов на электродах.

Описанные приборы кажутся пока очень простыми. Проблема заключается в том. что эти электроды нестабильны вследствие химической природы их работы. Величина напряжения, например, электрода рН будет со временем изменяться. хотя pH остается прежним. Следовательно, необходимо регулярно проводить калибровку электронных усилителей для обеспечения правильного соответствия выходных сигналов измеряемым величинам. Современные анализаторы выполняют калибровку автоматически стой частотой, которая необходима. Это выполняется с помощью двух калибровочных растворов, один с высоким значением рН, рСО_2, рО_2, а другой — с низким. Раствор с низкими значениями величин подается в измерительную камеру, и производятся расчеты. Затем результаты корректируются для соответствия известным показателям калибровочного раствора, а жидкость смывается. Процесс повторяется с калибровочным раствором с высокими значениями указанных параметров.

В большинстве случаев обслуживание газового анализатора выходит далеко за пределы электроники. Специалист должен разбираться в гидро- и газодинамике для решения проблем в трубопроводной секции. Важное значение имеют поток воздуха и контроль температуры, поскольку устройство с трубопроводами должно иметь температуру ровно 37° — такова температура человеческого тела. Химический состав калибровочных растворов оказывает решающее значение на точность прибора, при возникновении загрязнений специалист должен решить, как они возникли, как их исправить и предотвратить их повторение.

Для помощи в процессе поиска неисправностей многие газовые анализаторы крови имеют встроенные диагностические функции, которые позволяют выполнять различные операции: вручную работать с насосами и клапанами для их проверки, тестировать функции клавиатуры и дисплея, получать данные о напряжении и токе непосредственно с датчиков. Обычно вход в диагностический режим осуществляется с помощью переключателей, расположенных непосредственно на платах. Способ перехода в диагностический режим описан в руководстве по техническому обслуживанию. Трубопроводную секцию часто можно извлечь или выдвинуть из основного корпуса прибора, чтобы получить более удобный доступ и предотвратить протекание жидкостей на электронные компоненты.

В случае электронных неисправностей, проблема обычно располагается в одной из трех следующих секций:

1. Системы управления потоком жидкостей.

2. Контрольно-измерительной системы.

3. Системы управления на основе микрокомпьютера.

Искать неисправности в системе управления потоком жидкостей достаточно легко, поскольку можно увидеть неработающий клапан или насос и выявить причину неисправности. Микрокомпьютерную систему можно проанализировать как и любую другую систему на основе микрокомпьютера (см. главу 9). Самая большая проблема связана с обслуживанием контрольно-измерительной системы. Если контрольно-измерительные схемы неисправны, очень трудно найти необходимые прецизионные элементы. Кроме того, необходимы чрезвычайно точные инструменты для повторной калибровки, а их обычно нет в наличии. Печатные платы этих узлов часто можно послать изготовителю и заменить работающими, откалиброванными платами, которые были восстановлены.

Регулярное техническое обслуживание такого оборудования не только желательно, оно необходимо! Насосы, предназначенные для движения жидкости внутри установки, называются перистальтическими (рис. 10.35). Они проталкивают жидкость через резиновые трубки, сжимая трубку между роликом и корпусом насоса. Со временем резина рвется. Обычно перед разрывом трубок насоса изменяются его характеристики. Поэтому трубки надо регулярно заменять.

Рис. 10.35. Перистальтический насос

Многие резиновые части также изнашиваются, небольшие трубки и пластиковая арматура засоряются. Сгустки крови всегда представляют собой потенциальную проблему. Необходима регулярная тщательная очистка для промывания белковых остатков в трубопроводной системе. Систему регулирования температуры необходимо проверять и настраивать точно на уровень температуры тела. Электроды извлекаются и очищаются, мембраны и буферные растворы следует заменять. Для обеспечения надежной работы нужно также заменять воздушные фильтры, смазывать подвижные части, проверять расход жидкости и функционирование прибора.

Абсолютно необходимо, чтобы приборы, подобные этому, давали очень точные цифры. Для полной уверенности в том, что установка работает правильно, медперсонал должен каждый день выполнять программу- контроля качества. Для этого приобретаются небольшие стеклянные ампулы с жидкостью, которая имеет гарантированную величину рН, рСО_2, рО_2. Каждый день три таких ампулы пропускаются через установку, одна с высоким значением другая с типичным, третья с низким значением показателей. Для контроля состояния прибора следует вести ежедневные записи результатов проверок, чтобы негативные отклонения не сказались на пациентах.

Сервисное обслуживание терапевтического оборудования

Все приборы, которые мы рассматривали выше, предназначены для измерений и визуального контроля за состоянием человека, для того чтобы помочь врачу в диагностике заболевания. С годами было обнаружено, что электронные системы могут использоваться для управления процессами, которые фактически лечат физические недуги пациента. Их обычно называют терапевтическими процедурами. В эту общую категорию входят приборы для:

♦ лечения;

♦ эмуляции или замены органов;

♦ облегчения симптомов;

♦ врача (электрические или электронные инструменты).

Как мы знаем, лучшее — враг хорошего. Специалист по техническому обслуживанию биомедицинского оборудования должен быть уверен, что воздействие терапевтического прибора соответствует норме и не может произвольно меняться. Ограничение выходных величин приборов на безопасном уровне очень важно для терапевтических приборов. Многие из этих устройств снабжены средствами безопасности, которые для обеспечения их правильной работы необходимо тестировать.

Процесс проверки или калибровки этого оборудования обычно предполагает использование тестовой нагрузки, которая представляет собой электрическую или механическую модель части человеческого тела, подвергающуюся лечению. Анализатор безопасности, описанный выше, использовал тестовую нагрузку 1000 Ом. Большинство приборов имеют такие установки выходных сигналов, которые калибруются с учетом того, что прибор работает со стандартной тестовой нагрузкой.

Для некоторых терапевтических приборов, например аппаратов искусственной почки, вентиляторов, аппаратов сердце-легкие, инфузионных насосов неправильная работа может оказаться смертельной. Специалист должен проявить высочайшую осторожность и внимание ко всем деталям при обслуживании такого оборудования. Необходимо проводить полное тестирование операций, систем подачи тревоги и средств электрической безопасности, прежде чем возвращать прибор в эксплуатацию.

Диализ почек

Почки действуют, как установка по переработке отходов тела и удаляют токсины и другие ненужные вещества из крови. Если по каким-либо причинам почки перестают правильно работать, то через некоторое время пациент умрет вследствие уремического отравления. Для лечения были разработаны два основных типа терапии: гемодиализ и перитонеальный диализ.

Перитонеальной полостью называют похожую на мешок часть живота вокруг кишечника. Поскольку это основная область, в которой происходит переваривание пищи и передачи веществ в кровь, здесь очень высокая концентрация кровеносных сосудов и капилляров. Тонкие стенки капилляров полупроницаемы, что позволяет происходить процессу осмоса.

Рис. 10.36. Установка перитонеального диализа

Осмос — эго передача веществ из области с большей концентрацией в область с меньшей концентрацией через полупроницаемую мембрану. Наполнение перитонеальной полости раствором с очень высоким содержанием необходимых организму электролитов и очень малым содержанием веществ, которые приводят к образованию токсинов и отходов, вызывает переход вредных веществ из крови в диализат, а необходимых элементов из диализата в кровь через стенки капилляров. После достаточного для адекватной фильтрации крови времени, диализат сливается из полости живота.

Эту операцию часто можно выполнить, когда пациент спит ночью в кровати дома. Поскольку она не требует времени в течение рабочего дня, этот метод называется хроническим перитонеальным диализом в амбулаторных условиях.

К животу пациента хирургическим способом прикреплен специальный катетер, который позволяет подавать диализат в перитонеальную полость, и выводить его. Аппарат, подобный показанному на рис. 10.36, представляет собой, в первую очередь, систему контроля расхода раствора и времени. Раствор обычно подогревается до температуры тела.

Процесс гемодиализа требует более сложного оборудования и должен выполняться медицинским персоналом (рис. 10.37).

Рис. 10.37. Установка для гемодиализа

Ключевым элементом гемодиализа является искусственная почка, или диализатор (рис. 10.38).

Рис. 10.38. Аппарат искусственной почки

Это цилиндр, наполненный тысячами крошечных полупроницаемых капиллярных трубок. Кровь течет из артерии пациента через капиллярные трубки, а диализат течет в цилиндре, окружающем трубки. Профильтрованная кровь возвращается в вену пациента, а отработанный диализат удаляется. Вся работа диализной установки заключается в пропускании крови через диализатор и контроле температуры, расхода, давления и концентрации раствора диализата.

Обслуживание диализной установки требует навыков водопроводчика и специалиста по электронике. Знание гидродинамики и гидравлики очень помогает в понимании работы подобной системы. Для измерения давления жидкостей, расхода и температуры необходимы специальные приборы. Система управления с замкнутым циклом подаст концентрированный диализат, который смешивается с необходимым количеством воды. Контроль расхода диализата и воды основан на проводимости смеси. Проводимость отражает концентрацию раствора диализата. Второй датчик проводимости используется в системе подачи тревожного сигнала для предотвращения подачи неправильного или в несоответствующих пропорциях смешанного раствора в диализатор.

Очень важна температура диализата. Слишком горячий нагреет кровь пациента в диализаторе и может вызвать цепную реакцию в крови с фатальным исходом. Для контроля температуры обычно используются отдельные датчики для управления температурой и для системы подачи тревожного сигнала, которая предупреждает о проблемах в системе управления.

Специальные оптические сенсоры осуществляют мониторинг диализата для выявления крови, которая может пройти через трещины в диализаторе. Другой датчик может использовать ультразвук для отслеживания линии движения крови, чтобы обнаружить пузырьки воздуха, которые могут быть опасными и даже фатальными. При возникновении какого-либо из этих аварийных состояний. линия подачи крови перекрывается и подается сигнал тревоги до того, как испорченная кровь попадет в организм.

При обслуживании установки для диализа необходимо определить, возникла ли проблема в движении жидкостей, или неисправность содержится в датчиках или электронике. По понятным причинам секция, где находятся жидкости, обычно, располагается в нижней части установки, а электронное управление — в верхней. В показанной на рис. 10.39 установке специальная диагностическая плата вставлена в разъем на материнской плате системы. Плата открывает на экране монитора информационное окно для специалиста и выполняет различные диагностические тесты системы.

Рис. 10.39. Установка для гемодиализа при техническом обслуживании

Помимо того, что нужно обеспечить безопасность пациента, специалист должен защитить и себя. Многие болезни, такие как гепатит и СПИД передаются при контакте с кровью. Перед тем, как открыть трубопроводные линии, установку необходимо стерилизовать раствором формальдегида и промыть. Если во время использования установки возникает утечка, специалист должен обязательно надеть резиновые перчатки и соблюдать крайнюю осторожность, так же как это делает медицинский персонал.

Инфузионные насосы

Возможно, наиболее широко используемым терапевтическим прибором является инфузионный насос или контроллер. Внутривенная терапия используется почти во всех областях здравоохранения для подачи жидкостей, питания и лекарств в организм пациента и предполагает введение полой гибкой трубки в вену, обычно в предплечье или кисть. Эта трубка соединяется отрезком трубки с капельницей и зажимом для регулировки расхода, подключенным к емкости с жидкостью для введения в кровеносную систему пациента.

Капельница, показанная на рис. 10.40, выполняет две основные функции. Во-первых, она обеспечивает наглядную индикацию расхода. Объем каждой дозы задается изготовителем, что позволяет вычислить общий расход. Установленный вращающийся зажим позволяет пережать сечение трубки и ограничить расход. Медсестра может посчитать количество капель за определенный период и отрегулировать зажим для установки предписанного расхода.

Рис. 10.40. Капельница для внутривенного введения

Расход является функцией нескольких переменных. Кровяное давление пациента, высота расположения емкости с раствором для внутривенного введения, установка зажима и другие ограничения — все это влияет на расход. Если какая-либо из этих величин изменяется, изменяется и расход. Вторая основная функция капельницы заключается в поддержании постоянного уровня гидростатического давления по мере уменьшения количества жидкости в емкости. В противном случае расход будет постепенно уменьшаться вместе с опустошением емкости.

В случае когда необходимо подавать жидкость с очень высокой точностью, используется внутривенный контроллер или насос, действующий как автоматический вращающийся зажим, регулирующий расход за счет изменения пропускной способности трубки или измерения проходящей жидкости. Здесь для создания давления также используется сила тяжести. Контролеру задается количество капель в минуту, а оптический датчик следит за правильной работой. Датчик устанавливается на капельнице, как показано на рис. 10.41.

Рис. 10.41. Инфракрасный детектор капель

С одной стороны установлен инфракрасный светодиод, который пропускает инфракрасное излучение через капельницу. С другой расположен набор инфракрасных детекторов (обычно, фототранзисторов). Когда капель нет, свет падает на детекторы и переводит их в состояние насыщения. Когда капля падает, она прерывает луч и изменяет проводимость фототранзистора, создавая на выходе небольшой импульс, преобразующийся в стандартный логический импульс. который подается на цифровые схемы управления.

Инфузионный насос предназначен для пациентов, находящихся в критическом состоянии. Большинство насосов используют тог или иной механизм с нагнетателем объемного типа, который помещается в соответствующую систему трубок для внутривенной инъекции. Пример показан на рис. 10.42.

Рис. 10.42. Съемный инфузионный насос с набором трубок

Электронный прибор осуществляет механическое управление насосом через регулируемый интервал времени и контролирует расход с помощью подсчета капель. В каждый рабочий цикл насос подает фиксированный объем жидкости, который доставляется пациенту независимо от его кровяного давления, высоты расположения емкости или других ограничений. Максимальное давление, которое при этом может быть создано, ограничено механизмом насоса. Если по каким-либо причинам насос не может подавать жидкость, устройство контроля капель регистрирует уменьшившийся расход и подает тревожный сигнал.

Обслуживание оборудования для внутривенной терапии также требует больше, чем просто знания электроники. Это фактически гидравлическая система с управлением электронным прибором. Прежде всего, специалист должен определить, является ли неисправность следствием поломки в гидравлике или в электронике. Это следует оценить, когда прибор еще подключен к пациенту в палате. Медсестер необходимо инструктировать, чтобы при возникновении какой-либо проблемы они вызывали специалиста. Прием насоса или контроллера с биркой «сломан» и т. п. является контрпродуктивным методом ремонта прибора или аппарата. На работу систем внутривенной терапии влияет множество переменных. Медсестер обучают диагностировать и исправлять большинство механических проблем, связанных с подачей жидкости таких как, например перекрутившаяся трубка или неправильно установленный катетер. Однако контроллеры внутривенной терапии иногда подают сигналы тревоги без достаточных причин. В такой ситуации медсестра оказывается в растерянности, а вызвав инженера говорит, что «этот хлам снова подал сигнал без причины». Обычно лучше всего представить как можно больше фактов, касающихся проблемы, а затем отнести насос в мастерскую, даже если причина очевидна (например, подача сигнала о малом заряде батареи насоса, который не включен в сеть). Позже специалист может объяснить то, что он обнаружил, и научить медперсонал основам сервисного обслуживания.

Когда прибор доставлен в мастерскую, можно провести тщательное тестирование для идентификации неисправности и верификации выполнения операций. Типичное сервисное руководство обычно перечисляет признаки и возможные причины или предоставляет диаграмму поиска неисправностей, подобную описанным в предыдущих главах. Диаграммы поиска неисправностей очень помогают, особенно если специалист еще не очень хорошо знаком с системой. В целом, диаграмма — не панацея от всех неприятностей. Она используется для систематического решения проблем. Необходимо также и глубокое понимание работы схемы. Обычно это достигается изучением схем и описаний принципов работы в технической документации.

Прежде, чем отремонтированное устройство будет вновь использоваться, его необходимо протестировать на соответствие его характеристик. Обычный контроллер должен регулировать расход с точностью 2 % от заданной величины. Для проверки этого обычно используется градуированный цилиндр, который измеряет поданное количество нормального соляного раствора за фиксированный период времени (обычно от 1 до 2 ч). Специалист должен также понимать, что связь между числом капель и объемом зависит от свойств жидкости. Все тесты тревожных сигналов и безопасности выполняются в соответствии с описанными в сервисном руководстве процедурами.

Дефибрилляторы

Терапевтический прибор, который приобрел широкую известность после демонстрации телевизионных сериалов о скорой помощи и больницах, это кардиодефибриллятор. Естественный ритм сердца может по целому ряду причин быть нарушен. Фибрилляция — это состояние, при котором клетки сердца больше не сжимаются синхронно, а делают это, скорее, случайным образом: нет, как таковой, сокращающейся мышцы, и, следовательно, сердце не перекачивает кровь. Несчастный умирает, если в течение нескольких минут ситуация не будет исправлена.

Для дефибрилляции сердца через сердечную мышцу пропускается сильный импульс тока. Это заставляет клетки деполяризоваться (сократиться) одновременно. Когда они снова поляризуются (расслабляются) и возвращаются к нормальному состоянию, нервная система сердца вновь получает контроль и устанавливает нормальный синусный ритм.

Два электрода дефибриллятора помещаются на грудь пациента: один — на грудину, а другой — на боковую сторону груди возле верхушки легкого. Импульс в несколько тысяч вольт вызывает ток в несколько ампер через грудную полость. Хотя кажется, что внутри груди должна быть рассеяна огромная мощность, она существует всего несколько миллисекунд, что соответствует энергии около 200–400 Дж. Для дефибрилляции самому сердцу требуется около 50–75 Дж. Но тело является проводником, поэтому не вся энергия, поступающая в грудь, доставляется к сердцу.

При обслуживании дефибриллятора специалист должен соблюдать осторожность, чтобы случайно не попасть под воздействие прибора самому. К несчастью, дефибриллятор работает в обе стороны. Импульс, который может вернуть синхронизацию при фибрилляции сердца, может также перевести нормально работающее сердце в это состояние. В большинстве дефибрилляторов используются крупные конденсаторы (около 15 мкФ) с очень высоким напряжением, аналогичные показанному на рис. 10.43.

Рис. 10.43. Типичный размер конденсатора дефибриллятора

Когда корпус открыт, всегда есть опасность вступить в контакт с этим зарядом. Прежде чем начать работать со схемой, следует тщательно разрядить конденсатор, соединив его выводы мощным резистором 500–100 Ом. Необходимо соблюдать обычные требования техники безопасности при работе с высоким напряжением. Делайте измерения в цепях только одной рукой, держа другую руку за спиной. Убедитесь, что никакая другая часть вашего тела не находится в кон такте с землей или корпусом прибора. Не носите проводящую бижутерию. Всегда имейте при себе средства защиты глаз. При использовании пробника следите, чтобы ваша рука не касалась прибора.

Дефибрилляторы должны быть очень надежны. Если устройство не сработает во время попытки оживить пациента, часто может не хватить времени, чтобы найти другой. Поэтому тестирование дефибрилляторов должно проводиться регулярно. Нельзя запускать дефибриллятор без нагрузки, в качестве использует для ежедневных тестов простые приспособления. Более сложные приборы используются специалистами для анализа выходного сигнала дефибриллятора. Эти тестеры представляют собой делитель напряжения из набора мощных резисторов, который по отношению к выводам дефибриллятора представляет собой нагрузку 50 Ом, как показано на рис. 10.44.

Рис. 10.44. Измерение формы сигналов и энергии дефибриллятора

Выход делителя напряжения предназначен для вывода форм сигнала на экран осциллографа. Схема формирования прямоугольных импульсов и интегрирования формирует выходной сигнал, который пропорционален поданной энергии. Она осуществляет это, придав сигналу прямоугольную форму и затем измерив площадь области под сигналом (интегрирование). Полученная величина представляется в джоулях или Вт/с.

Для того чтобы можно было воспроизвести импульс дефибриллятора на экране, необходим осциллограф с памятью, установленный в режим ждущей развертки. Источник запуска и уровень регулируются методом проб и ошибок. Наблюдение формы сигнала важно, поскольку оно может выявить неисправности, которые не видны другим способом. Например, дефибрилляция обычно продолжает работать, даже когда кабель внутри оболочки содержит обрыв, хотя внешне выглядит исправным. Энергия просто проскакивает через образовавшийся искровой разрядник в пациента. Для обнаружения обрывов в цепи разряда или неисправных компонентов, связанных с формой сигнала, используются показанные на рис. 10.45 формы сигналов.

Калибровка дефибриллятора обычно включает тестирование уровней выхода и проверку всех блокировочных устройств для предотвращения случайного разряда. Система заряда тестируется и на время заряда.

Рис. 10.45. Тестирование выхода дефибриллятора

Приборы электрохирургии

Электрохирургические приборы используются в течение десятилетий как первичные инструменты в операционной и могут использоваться в качестве скальпеля для разрезания тканей при соединении концов вскрытых кровеносных сосудов. Приборы электрохирургии представляют собой, в основном, высокочастотные генераторы высокой мощности, энергия которых направляется через конец электронного скальпеля и проходит через тело пациента к обратному электроду. Ткань разрезается за счет нагревающего действия поля высокой частоты и плотности, аналогично микроволновой печи. Поскольку мышцы и нервы пациента не реагируют на высокочастотный ток, нет опасности электрического удара. Если высокочастотная энергия имеет возможность выйти из тела через другую цепь, помимо обратного электрода, возникнет опасность ожога. Поэтому в большинстве современных систем используется схема, где цепь, в которую включен пациент, изолирована от земли, при этом ведется постоянный мониторинг непрерывности цепи для гарантии правильного расположения пластины электрода.

Прежде, чем приступить непосредственно к обслуживанию схемы, проверьте наличие очевидных неисправностей, типичных для данных устройств. Например, часто ржавеют, изнашиваются или выходят из строя небольшие сменные детали «петельки», «режущие кромки». Даже при наличии специальных средств для очистки эти детали приходится часто заменять. Обычная жалоба хирурга заключается в том, что ему приходится устанавливать регулятор мощности на более высокое значение, чем обычно. Это может быть показателем того, что хирургический инструмент или весь активный электрод и кабель необходимо заменить.

Большинство современных устройств имеют съемные резцы, которые заменяются для каждой процедуры, но кабели и рукоятки активных электродов обычно стерилизуются и используются повторно. Очень часто медицинский персонал использует кабели и разъемы слишком долго или злоупотребляет ими. К сожалению, нередко специалист по обслуживанию получает электрохирургический инструмент без кабеля, который использовался во время процедуры, с прикрепленной запиской «сломался». Медперсоналу нужно постоянно напоминать о том. что специалиста нужно вызывать при первых признаках неисправности, чтобы можно было провести тщательную диагностику.

Для сервисного обслуживания электрохирургического прибора к его выходу должна быть подключена тестовая нагрузка. В этом качестве часто используется лампа накаливания, как показано на рис. 10.46.

Рис. 10.46. Проверка выхода электрохирургического прибора

При проведении измерений внутри электрохирургического прибора с включенным выходом необходима крайняя осторожность. Измерительное оборудование — вольтметры, осциллографы и др. — можно подключать только при выключенном выходе устройств. Руки специалиста никогда не должны находиться внутри устройства при включенном питании. В противном случае та же самая высокочастотная энергия, которая предназначена для цепи пациента, может пройти через специалиста.

Калибровка и проверка характеристик обычно выполняются с помощью измерителя высокочастотной выходной мощности, тестовой нагрузки и осциллографа. Измеритель выходной высокочастотной мощности и тестовая нагрузка обычно поставляются вместе с разъемами для выхода осциллографа. Тестовая нагрузка обычно обладает сопротивлением 500 Ом для моделирования импеданса тела человека на высоких частотах. Выходной сигнал имеет форму непрерывной волны для режима резки, и циклической последовательности импульсов переменных частот для режима коагуляции, как показано на рис. 10.47.

Рис. 10.47. Формы сигналов при резании и коагуляции

Ультразвуковые терапевтические приборы

Отделение физиотерапии обычно занимается реабилитацией пациентов, которые выздоравливают после травмы или болезни. Ультразвуковые приборы и аппараты для диатермии — основные на этом этапе лечения. Терапевтические ультразвуковые приборы предназначены для создания мощной вибрации (около 1 МГц), и, прежде всего, им находят применение для глубокого прогревания воспаленных участков травмированных мышц. Примером является прибор, показанный на рис. 10.48.

Рис. 10.48. Терапевтический ультразвуковой прибор

Импульсы высокочастотной энергии подаются с частотой 40-140 раз в минуту с коэффициентом заполнения (отношение длительности импульса к периоду следования х100 %) от 10 до 35 процентов.

Схема в основном состоит из генератора и высокочастотного усилителя мощности с регулируемым выходом. Блок-схема и описание из технического руководства прибора показаны на рис. 10.49 и в табл. 10.1.

Рис. 10.49. Блок-схема терапевтического ультразвукового прибора

Таблица 10.2. Терапевтический ультразвуковой прибор

∙ Источники питания

Используется два источника питания. Один — постоянный +12 В для электронных схем, другой — регулируемый +40 В. Регулируемый источник питания предназначен для основного генератора высокой частоты. Это обеспечивает и регулировку выходной интенсивности прибора. Цифровая логическая схема выбирает необходимый диапазон напряжения автоматически в соответствии с преобразователем, который выбран оператором

∙ Цифровой стабилизированный генератор

Цифровой синтеза тор частоты генератор используется как сверхстабильный перестраиваемый генератор с выходным уровнем 12 В для питания преобразователей на оптимальной для каждого преобразователя частоте. Он состоит из микропроцессорного кристалла 2048 кГц. перестраиваемого цифрового делителя и схемы с автоматической фазовой подстройкой частоты. Это обеспечивает высокую как кратковременную, так и долговременную стабильность частоты. Выходной сигнал подается далее на основной генератор высокой частоты

∙ Основные генераторы

Основной генератор высокой частоты создает синусоидальные колебания высоких частот с регулируемым уровнем выходного сигнала преобразователя. Он получает входной сигнал от цифрового стабилизированного генератора, усиливает этот сигнал и пропускает усиленный сигнал перед подачей на преобразователь через фильтры низкой частоты

∙ Преобразователи

Каждый преобразователь состоит из пьезоэлектрического излучателя, цирконат-титаната свинца, преобразующего электрическую энергию (от основного генератора высокой частоты) в механическую в еще колебаний в ультразвуковом диапазоне

Подобные блок-схемы позволяют легко изолировать неисправность до уровня конкретного блока. Руководства по поиску неисправностей, подобные приведенному в табл. 10.2, могут использоваться для идентификации мелких поломок.

Таблица 10.3. Руководство по поиску неисправностей для ультразвукового прибора

Симптом ∙ Требуется проверить

— Устройство не включается

♦ изоляцию шнура питания;

♦ плавкий предохранитель;

♦ соединения таймера

— Индикатор включения не загорается

♦ находится ли каретка в верхнем положении;

♦ соединения измерительного прибора;

♦ источник напряжения

— Измерительный прибор показывает очень низкий уровень и индикатор «Прибор активен» не загорается

♦ что противоположная каретка находится в нижнем положении (противоположный преобразователь правильно установлен);

♦ находится ли каретка в верхнем положении

Преобразователь состоит из пьезоэлектрического кристалла, который превращает электрическую энергию от генератора высокой частоты в акустическую (механические колебания). Эта энергия может проникать внутрь мышц и структур тела. Важно, чтобы устройство работало правильно, в противном случае оно может нанести пациенту серьезные повреждения.

Калибровка заключается в настройке коэффициента усиления по высокой частоте таким образом, чтобы выходная мощность устанавливалась с погрешностью не хуже 20 % от заданного значения, как указано в табл. 10.3.

Таблица 10.4. Процедура калибровки ультразвукового прибора

∙ Ежегодная калибровка

1. Поместите преобразователь, который вы тестируете, в ваттметр UPM03 или аналогичный.

2. Увеличьте интенсивность прибора до максимума.

3. Прибор должен давать не менее 10.0 (3.9) Вт и не более чем 12.0 (5,1).

Если это не так, выполните описанную ниже процедуру полной калибровки.

4. Отрегулируйте R40 (R42) таким образом, чтобы показания на шкапе передней панели соответствовали выходному сигналу прибора.

Теперь калибровка прибора закончена, проверьте точность прибора при 5.0 и 10,0 (2.0 и 4,0) Вт. Управление по санитарному надзору разрешает отклонение в любую сторону на 20 %

∙ Полная процедура калибровки

1. Снимите держатели на задней масти прибора.

2. Поверните регулятор интенсивности на передней панели до максимального значения (полностью по часовой стрелке) Поверните R3 и R40 (R13 и R42) полностью по часовой стрелке.

3. Поместите преобразователь, который вы калибруете в ваттметр UPM-30 и установите диапазон для регистрации 11,0 (4,5) Вт.

4. Поворачивайте R3 (R13) против часовой стрелки до тех пор, пока выходной сигнал прибора не составит 11.0(4.5) Вт.

Калибровка теперь завершена, проверьте точность прибора при 5.0 и 10,0 (2.0 и 4,0) Вт. Управление по санитарному надзору разрешает отклонение в любую сторону на 20 %

Примечания:

1. Приведены величины для обоих преобразователей. Если они различаются, то величины в скобках показывают значения для преобразователя площадью 2 см^2.

2. Преобразователь с площадью 5 см^2 должен быть откалиброван до калибровки преобразователя с площадью 2 см^2.

Для выполнения этой процедуры необходим измеритель ультразвуковой мощности, большинство из которых представляют собой механические устройства, измеряющие отклонение мишени или оценивающие силу, созданную выходным преобразователем. Можно выполнить быструю проверку уровня выходного сигнала, намотав ленту вокруг головки преобразователя, тем самым создав небольшой резервуар. При включенном питании такая головка должна распылить помещенное в резервуар небольшое количество воды. Это выглядит так, как будто из головки выходит пар, а в центре образуется гейзер.

Если в настроенной схеме заменяется усилитель мощности высокой частоты или преобразователь, необходимо заново провести настройку схемы. Для показанного устройства эго означает настройку цифрового селектора частоты немного большего уровня, чем максимальный порог выходной мощности. Процедура настройки из руководства по техническом)’ обслуживанию прибора фирмы Рич-Мар приведена в табл. 10.4.

Таблица 10.5. Процедура настройки для согласования выхода и преобразователя

∙ Процедура настройки (высокочастотной коррекции)1

Поместите преобразователь для настройки в ваттметр. Увеличьте интенсивность на передней панели до такого уровня, чтобы указатель был примерно на половине шкалы интенсивности (стрелка направлена вертикально вверх). Включите прибор и установите непрерывный режим. Выполните следующие действия:

1. Регулируйте ближайший к передней стороне переключатель до тех пор, пока излучение прибора не достигнет максимального значения и не вызовет максимальное отклонение стрелки ваттметра. Теперь излучатель «грубо» настроен.

2. Уменьшите положение переключателя на 1 (если он показывал «6», переведите на «5»). Теперь установите задний переключатель на 0. Начните увеличивать на 1 установленное на переключателях число до тех пор, пока вы не достигните максимальной мощности. (Пример: 50, 51, 52…58, 59, 60, 61, 62. Обнаружено, что 62 соответствует максимальному значению, поскольку при 63 мощность начинает убывать).

3. Прибавьте 5 к максимальному значению и установите переключатели соответствующим образом (продолжая предыдущий пример, установите положение переключателей на 67)2

∙ Процедура установки индикатора «Прибор активен»

Данная процедура должна выполняться с использованием преобразователя площадью 2 см^2:

1. Поверните R21 полностью против часовой стрелки, a R23 полностью по часовой стрелке.

2. Убедитесь, что кабель преобразователя серого цвета подключен к соответствующим выводам высокой частоты.

3. Включите прибор и поставьте переключатель режима в положение «1» Вт выходной мощности (на нижней шкале). Установите прибор в положение 10 % рабочего цикла.

4. Поворачивайте R21 до тех пор, пока не загорится светодиод «прибор активен».

5. Отсоедините кабель высокой частоты. Поворачивайте переключатель интенсивности на передней панели таким образом, чтобы измеритель показывал 2,0 Вт. Поворачивайте R23 против часовой стрелки, пока светодиод горит.

6. Теперь светодиод «Прибор активен» настроен. Подключите кабель высокой частоты.

7. Проверьте работу светодиодного индикатора «Прибор активен» с преобразователем 5 кв. см, повторив установки измерителя передней панели (не регулируйте R21 и R23) в положении 10 %. Затем отсоедините кабель высокий частоты (3 Вт или больше) для проверки правильности функционирования

Примечания:

1. Данная процедура необходима только в том случае, если преобразователь или часть схемы генератора высокой частоты были заменены.

2. Если осуществляется высокочастотная коррекция преобразователя с площадью 5 см^2, то оба преобразователя необходимо калибровать.

Аппарат для диатермии

Аппарат для диатермии также используется для глубокого прогревания тканей, но он излучает волны частотой около 27 МГц. По сути, прибор представляет собой генератор высокой частоты и усилитель. Хотя он похож на ультразвуковой прибор, аппарат для диатермии обеспечивает более глубокое проникновение. Кроме того, поскольку на выходе аппарат выдает высокочастотные, а не электромеханические (акустические) колебания, его нельзя использовать для пациентов с имплантантами. Имплантант или протез будут поглощать высокочастотную энергию, что может вызвать нежелательный нагрев и возможную неисправность протеза или ожог. Аппарат диатермии подает энергию на антенны в форме дисков, которые помещаются возле пациента. Можно быстро проверить выходной сигнал аппарата, поместив около выходных пластин неподключенную к источнику питания флуоресцентную трубку и наблюдать свечение без всяких проводов.

Профилактическое техническое обслуживание обоих типов приборов предполагает проверки электрической безопасности и тестирование уровней выходных сигналов для гарантии того, что пациент не получит ожога. Калибровка и настройка должны выполняться регулярно.

Профилактическое техническое обслуживание

Для сферы биомедицинской электроники регулярное профилактическое техническое обслуживание обязательно. Если возникает неисправность промышленного оборудования, это обычно означает потерю доходов. При выходе из строя биомедицинского оборудования может произойти смерть человека. Многое невозможно полностью предотвратить, как, например случайную протечку жидкости, обильное кровотечение, коррозию под действием соляного раствора, механические проблемы. Важно убедить медицинский персонал сообщать об оборудовании, с которым что-то произошло, даже если оно, на первый взгляд, вполне работоспособно. Негативные эффекты могут не проявляться в течение месяцев, но вызовут поломку в критический момент.

Регулярная проверка электрической безопасности позволяет визуально оценить каждую часть оборудования. Большинство составляющих оборудования в больницах также включаются в график регулярного профилактического технического обслуживания. Вырабатываются стандартные процедуры для каждого типа приборов, которые регламентируют интервалы между проверками технического состояния, детали для замены, необходимые калибровки и процедуры тестирования. Каждый прибор снабжен идентификационным номером для технического обслуживания. Большинство инженерных программ в клиниках в настоящее время используют для ведения учета технического обслуживания компьютер. Имеется программное обеспечение, которое автоматически формирует порядок проведения работ для технического обслуживания прибора. Для большинства диагностического оборудования калибровка требует моделирования входного сигнала, который обычно поступает от пациента. Для этого часто бывает необходимо приобрести специальное оборудование. Аналогично, большая часть терапевтического оборудования потребует моделирования нагрузки на выходе и каких-либо средств для измерения выходных сигналов. Специальные инструменты часто очень дорого стоят, но могут оправдать затраты при поддержании работоспособности нескольких единиц оборудования.

Вопросы для самоконтроля

Выберите верный ответ:

1. Какое оборудование из перечисленного ниже может считаться терапевтическим, в отличие от диагностического:

а) электрокардиограф;

б) кардиостимулятор;

в) компьютерный томограф;

г) установка ЯМР.

2. Повреждения от электрического удара определяются:

а) напряжением источника питания;

б) током, который может дать источник питания;

в) сопротивлением тела;

г) всем указанным выше.

3. Тело наиболее чувствительно к электрическим токам при постоянном токе:

а) 60 Гц;

б) 1 кГц;

в) 1 МГц.

4. Сопротивление заземления кабеля питания для приборов ухода за пациентом должно составлять:

а) более 1 Ом;

б) менее 100 Ом;

в) более 150 Ом;

г) менее 0,15 Ом.

5. Настройка прибора для подтверждения и обеспечения точности результатов называется:

а) калибровка;

б) проверка безопасности;

в) поиск неисправностей;

г) диагностика.

6. Монитор ЭКГ использует:

а) стандартный усилитель низкой частоты;

б) усилитель высокой частоты;

в) дифференциальный усилитель;

г) ничего из перечисленного.

7. Коэффициент ослабления синфазных сигналов ЭКГ должен быть:

а) более 100 000;

б) менее 1;

в) больше 1000;

г) больше 100.

8. Установка ЭКГ имеет шум 60 Гц на двух графиках, для вывода I и для вывода III, но вывод II нормальный. Проблема, вероятно, заключается в:

а) электрод правой руки;

б) электрод левой руки;

в) электрод левой ноги;

г) дифференциальный усилитель.

9. Цифровые самописцы:

а) могут печатать только цифры;

б) используют нагретое перо и гальванометр;

в) печатают с использованием линейного массива нагревательных элементов;

г) используют чернила для печати на бумаге.

10. Эффективность рентгеновской трубки:

а) менее 1 процента;

б) обычно 50 %;

в) более 99 %;

г) ничего из перечисленного.

11. Цель использования вращающегося анода в рентгеновской трубке заключается в том, чтобы:

а) рентгеновские лучи двигались быстрее;

б) рентгеновские лучи лучше проникали;

в) для рассеяния образующегося тепла;

г) для всего указанного выше.

12. Высокое напряжение на рентгеновской трубке измеряется с помощью:

а) стандартного цифрового вольтметра, установленного на самый большой предел измерения;

б) высоковольтного делителя и цифрового вольтметра или осциллографа;

в) высоковольтного пробника для тестирования анодного напряжения телевизора;

г) любым из указанных способов.

13. Рентгеновская установка, которая дает изображение человеческого тела в разрезе, называется:

а) компьютерный томограф;

б) установка флуороскопии;

в) делитель напряжения;

г) коронарный ангиограф.

14. Ультразвуковые аппараты вырабатывают звуковую энергию с помощью:

а) низкочастотного громкоговорителя;

б) среднечастотного громкоговорителя;

в) динамика для верхних звуковых частот;

г) пьезоэлектрического кристалла.

15. Ультразвуковой сканер для конвергентного сканирования:

а) использует 12 и более пьезоэлектрических кристаллов;

б) складывает все сигналы от всех кристаллов;

в) формирует векторы сканирования, регулируя порядок возбуждения кристаллов;

г) все перечисленное.

16. Измерения глубины ультразвуковым аппаратом калибруются:

а) используя тестовую модель;

б) используя тестовую сетку;

в) используя измерительную ленту;

г) используя все, указанное выше.

17. Система ЯМР:

а) использует сверхпроводящие элементы для создания магнитного поля;

б) использует магнетизм и импульсы высокой частоты для формирования изображения тела;

в) может формировать изображение в разрезе с деталями мягких тканей;

г) делает все, указанное выше.

18. Вентилятор используется для:

а) охлаждения пациента;

б) подачи свежего воздуха в палату пациента;

в) измерения содержания кислорода в крови;

г) подачи воздуха в легкие пациента.

19. Газовый анализатор крови измеряет:

а) частичное давление кислорода в крови;

б) частичное давление двуокиси углерода в крови;

в) pH крови;

г) все перечисленное.

20. Калибровка газового анализатора крови выполняется:

а) каждые 2 ч автоматически;

б) каждую неделю врачом, специалистом по респираторным заболеваниям;

в) ежегодно специалистом по техническому обслуживанию;

г) только на предприятии-изготовителе.

21. Периодические процедуры, которые выполняет специалист по поиску неисправностей биомедицинского оборудования при обслуживании газового анализатора артериальной крови, это:

а) обязательная очистка всех трубопроводов;

б) замена изношенных трубок насосов, резиновых частей и фильтров;

в) функциональное тестирование с использованием диагностического

программного обеспечения;

г) все перечисленное.

22. Проверка терапевтического оборудования не включает:

а) калибровочный образец;

б) тестовую нагрузку, имитирующую пациента;

в) средства измерения выходного сигнала;

г) проверку работы блокировочных устройств безопасности.

23. Перитонический диализ:

а) требует наблюдения со стороны медицинского персонала;

б) предполагает подачу крови в пациента;

в) может выполняться дома, ночью;

г) гораздо сложнее, чем гемодиализ.

24. Разделение тревожного сигнала температуры и проводимости необходимо в дополнение к управляющим сигналам в системе диализа, поскольку:

а) один контролирует кровь, а другой диализат;

б) используется система управления с открытым циклом (нет датчиков);

в) неисправность системы управления приведет к смерти пациента;

г) все перечисленное.

25. Поиск неисправностей в установке для диализа требует понимания:

а) гидродинамики;

б) датчиков и системы управления;

в) электроники;

г) всего перечисленного.

26. В качестве меры предосторожности специалист, обслуживающий дефибриллятор, должен:

а) использовать резиновые перчатки для защиты от инфекции;

б) носить обувь с резиновыми подошвами;

в) разрядить накопительный конденсатор;

г) просто отключить прибор от сети.

27. Тестирование дефибриллятора включает:

а) наблюдение форм выходного сигнала;

б) измерение подачи энергии при нагрузке 50 Ом;

в) проверку всех операций;

г) все перечисленное;

28. Хорошей тестовой нагрузкой для прибора электрохирургии является

а) пациент;

б) лампа накаливания;

в) кусок мяса;

г) ничего из перечисленного.

29. Прибор электрохирургии представляет собой

а) высокочастотный генератор мощности;

б) одноимпульсный генератор высокой мощности;

в) генератор 60 Гц;

г) ничего из перечисленного.

30. Правильно работающий прибор электрохирургии в режиме резания имеет выходной сигнал:

а) импульс 2000 В, 20 А, 5 мс;

б) импульсы высокой частоты с переменным рабочим циклом;

в) непрерывные волновые сигналы;

г) сигналы с крутыми фронтами.

Вопросы и проблемы

1. Опишите состояние сердца при сердечных волнах Р, Q, R, S и Т.

2. Расскажите о положении электродов для выводов I, II, III.

3. Расскажите об этапах тестирования коэффициента подавления синфазного сигнала для установки ЭКГ.

4. Опишите процедуру проверки частотной характеристики усилителя ЭКГ.

5. Какова цель теста изоляции усилителя ЭКГ.?

6. Что измеряет электроэнцефалограф?

7. Назовите три основных переменных, которые влияют на снимки рентгеновской установки.

8. Дайте определение рентгеноскопии.

9. Опишите, как работает компьютерный томограф.

10. Расскажите о целях и функциях дифференциальной регулировки усиления в ультразвуковом приборе.

11. Дайте определение режимов А, В, М для ультразвукового прибора.

12. Расскажите об основной концепции получения изображения с помощью установки ЯМР.

13. Назовите три основные секции газового анализатора артериальной крови.

14. Какова разница между гемодиализом и перитоническим диализом?

15. Назовите пять параметров, которые контролирует установка для гемодиализа.

16. Назовите два теста инфузионного насоса, которые необходимо выполнять для подтверждения его правильного функционирования.

17. Какова задача дефибриллятора?

18. Как может специалист по поиску неисправностей определить, что кабель неисправен?

19. Что необходимо сделать, если терапевтический ультразвуковой прибор не прогревает так, как это должно быть?

20. Что такое аппарат для диатермии?

Приложения

1. Руководство по сервисному обслуживанию в двигателях

Примечание. Расшифровка значений, приведенных в таблице:

1. Обрыв и соединении с пинией.

2. Обрыв в обмотке двигателя.

3. Контакты центробежного выключателя не замыкаются.

4. Неисправный конденсатор.

5. Обрыв в обмотке запуска.

6. Не размыкается пусковой центробежный выключатель.

7. Перегрузка двигателя.

8. Короткое замыкание или замыкание на землю в обмотке.

9. Обрыв в одной или более обмоток.

10. Слишком много слюды между пластинами коллектора.

11. Коллектор загрязнен или имеет нарушение формы.

12. Щетки изношены и/или ослаблены пружины щеток.

13. Обрыв или короткое замыкание в обмотке якоря.

14. Масло ка щетках.

15. Обрыв или короткое замыкание и параллельной обмотке.

16. Тугие или загрязненные подшипники.

17. Контакт между неподвижными и вращающимися частями.

18. Замыкание на землю около конца обмотки, расположенного ближе к переключателю.

19. Короткое замыкание или замыкание на землю в обмотке якоря.

2. Руководство по сервисному обслуживанию блоков управления электродвигателями

Таблица 2. Неисправности блоков управления электродвигателями

Неисправность ∙ Причина∙ Устранение

Реле перегрузки

— Размыкание

1. Постоянная перегрузка.

Проверить на наличие замыкания на землю, короткого замыкание, чрезмерных токов двигателя и устранить причину.

2. Плохие контакты в проводах, соединяющих с нагрузкой.

Прочистить и подтянуть.

3. Неправильная работа нагревательного прибора

Заменить исправным прибором

Магнитные и механические части

— Шумит магнит

1. Сломана экранирующая обмотка.

Заменить магнит и якорь.

2. Торцы магнита не соответствуют друг другу

Заменить магнит и «корь.

3. Прочистить

Грязь или ржавчина на поверхностях магнита.

4. Низкое напряжение

Проверить напряжение системы и уменьшение напряжения при запуске

— Не удаются набрать скорость

1. Низкое напряжение.

Проверить напряжение системы и уменьшение напряжения при запуске.

2. Обрыв или короткое замыкание в катушке.

Заменить.

3. Неисправная катушка.

Заменить.

4. Механическое препятствие

При выключенном питании проверить свободное движение контакта и сборки якоря

— Не выключается

1. На полосах налипло постороннее вещество.

Прочистить полюса

2. Напряжение не выключено.

Проверить цепь обмоток

3. Изношенные или ржавые детали вызывают сцепление.

Заменить детали

4. Остаточный магнетизм вследствие недостаточного воздушного зазора в магнитной цепи

Заменить магнит и якорь

Пневматические таймеры

— Контакты таймера не срабатывают

1. В клапане посторонний предмет.

Заменить головку или вернуть таймер на завод-изготовитель для ремонта и настройки.

2. Неправильная настройка запускающего винта.

Настроить в соответствии с инструкцией и руководством по техническому обслуживанию.

3. Изношенные или сломанные детали в быстродействующем выключателе

Заменить быстродействующий выключатель

Концевые выключатели

— Сломанные детали

1. Пускатель выполняет слишком большое перемещение

Используйте исправный пускатель или работайте в пределах допуска прибора

Ручные пускатели

— Не сбрасываются

1. Механизм защелки изношен или сломан

Заменить пускатель

Компенсаторы ручные

— Слипание контактов на стороне запуска

1. Перемещение рукоятки рывками или медленно

Чрезмерное дергание и движение рывками не рекомендуется (обратить внимание оператора); рукоятку следует перемещать в положение пуска быстро и уверенно

— Слипание контактов на рабочей стороне

1. Медленное перемещение рукоятки.

Перемещайте рукоятку быстро и уверенно по мере разгона двигателя до полной скорости.

2. Недостаточное давление пружины

Замените контакты и пружины контактов

— Поврежденный или сгоревший трансформатор

1. Повторяющееся включение рывками.

Чрезмерное дерганье не рекомендуется (обратить внимание оператора).

2. Удержание рукоятки в положении пуска в течение слишком долгого времени

Держите рукоятку в положении пуска только до тех пор, пока двигатель не наберет полную скорость

Контакты

— Дребезг контактов

1. Сломана экранирующая обмотка.

Замените магнит и якорь.

2. Плохой контакт в цепи управления.

Замените контактор и используйте фиксаторы с блокировкой (трехпроводное управление).

3. Низкое напряжение

Исправьте напряжение. Проверьте уменьшение напряжения при запуске

— Спекание контактов или нет замыкания

1. Ненормальный выброс тока.

Проверьте на замыкание на землю, короткое замыкание, чрезмерный ток, нагрузки двигателя или используйте контактор большего размера.

2. Быстрое переключение.

Установите более мощное устройство, пригодное для толчкового режима работы.

3. Недостаточное давление контактов.

Замените контакты и пружины, проверьте держатель контактов на предмет возникновения деформации или повреждений.

4. Низкое напряжение не позволяет магниту обеспечить контакт.

Скорректируйте напряжение. Проверьте уменьшение напряжения при запуске.

5. Постороннее вещество не дает контактам замкнуться.

Прочистите контакты фреоном; контакторы, пускатели, органы управления следует чистить небольшим количеством фреона.

6. Короткое замыкание

Устраните короткое замыкание и проверьте правильность номинала установленных плавких предохранителей и прерывателей

— Короткий срок службы головок контактов или перегрев головок контактов

1. Подвергались доработке напильником и пр.

Не обрабатывайте серебряные контакты напильником. Наличие зон с измененным цветом не ухудшает эффективности работы.

2. Работают со слишком высокими токами.

Установите более крупный прибор или проверьте на замыкание на землю, короткое замыкание или чрезмерный ток двигателя.

3. Чрезмерная работа в толчковом режиме.

Установите более мощный прибор, предназначенный для работы в толчковом режиме.

4. Слабое давление на головку.

Замените контакты и пружины, проверьте держатели контактов на наличие деформации или повреждения.

5. Грязь или постороннее вещество на поверхности контакта.

Очистите контакты фреоном.

6. Короткое замыкание.

Устраните неисправность или короткое замыкание и проверьте соответствие номиналов плавких предохранителей и размыкателей.

7. Плохой контакт.

Очистите и исправьте.

8. Постоянная перегрузка

Проверьте на наличие чрезмерного тока нагрузки двигателя или установите более крупный прибор

Обмотки

— Обрыв

1. Механическое повреждение

Храните обмотки и обращайтесь с ними надлежащим образом

— Обгоревшая катушка

1. Перенапряжение или высокая температура окружающей среды.

Проверьте и исправьте схему использования устройства.

2. Неисправная катушка.

Установите исправную обмотку.

3. Короткое замыкание витков вследствие механического повреждения или коррозии.

Замените обмотку.

4. Недостаточное напряжение, магнит не может выполнить замыкание.

Необходимо обеспечить номинальное напряжение системы.

5. Пыль или грязь на полюсах увеличивают воздушный зазор

Очистите полюса

3. Руководство по сервисному обслуживанию радио-и стереоаппаратуре

Таблица 3. Неисправности радио- стереоаппаратуры

Симптом ∙ Секция ∙ Возможная причина

— Игла тормозит на грампластинке ∙ Держатель звукоснимателя

Отрегулируйте давление иглы

— Неправильное положение звукоснимателя ∙ Держатель звукоснимателя

Отрегулируйте высоту звукоснимателя и точку установки

— Опорный диск слишком медленно вращается ∙ Направляющий шкив, двигатель, трущиеся поверхности

Прочистите направляющий шкив и края опорного диска, смажьте подшипники

— Неправильно работает или не работает циферблатный индикатор ∙ Струна индикатора

Замените/заново натяните струну

— Слабый звук, сильно искаженный выходной сигнал ∙ Выходные/предварительные усилители

Замените выходной усилитель, проверьте схему

— Нет выходного сигнала или очень слабый ∙ Схемы головки звукоснимателя, привода, выходные каскады

Проверьте иглу, головку звукоснимателя, приводы, выходные каскады

— Гул, слабый звук ∙ Источник питания

Фильтр

— Плохая избирательность или чувствительность ∙ Настройка входного избирательного контура

Проверьте преобразователь, настройте приемник

— Шумы, вибрация ∙ Динамики

Проверьте соединения, динамик и т. д.

— Рев, скрип ∙ Тюнер/источник питания

Фильтр, тюнер, проверьте соединения

— Лампы не загораются ∙ Все схемы/источник питания

Проверьте лампы, нити нахала, плавкие предохранители, переключатель, выпрямитель, фильтр и т. д.

— Прерывистая работа ∙ Все схемы

Проверьте соединения, усилители и т.д

— Дрейф станций ∙ Гетеродин

Проверьте гетеродин/утечку конденсаторов

— Громкость изменяется ∙ АРУ

Проверьте схему АРУ

— Один из каналов не работает и/или сильно искажен, звук тихий ∙ Выходные, предварительные каскады и т. д.

Проверьте выходные каскады, соединительные устройства, смещение, цепи, переключатель АМ/ЧМ

— Хорошая работа на ЧМ, но слабый звук и искажения на AM ∙ Цепи AM

Выходные каскады и т. д.

— Плохое качество верхних/нижних частот ∙ Цепи регулирования тембра

Проверьте цепи

— Шум или плохой баланс ∙ Потенциометр баланса

Проверьте или замените регулятор управления

— Нет регулировки звукового баланса ∙ Схема регулировки баланса

Проверьте схему

4. Руководство по сервисному обслуживанию магнитофонов

Таблица 4. Неисправности магнитофонов

Неисправность ∙ Возможная причина

— Скорость низкая, ведущий вал не вращается

Неисправный двигатель, ремень привода, направляющий шкив, маховик, ведущий вал или механическое препятствие движению элементов

— Большое искажение, низкий уровень высоких частот, пониженная выходная мощность

Грязная головка (прочистить изопропиловым или этиловым спиртом), неисправная или ненастроенная головка, неисправная цепь усилителя (размагничивает головку)

— Плохое стирание

Неисправная или грязная стирающая головка (очистить или заменить)

— Обратная перемотка или быстрая перемотка вперед не работают

Неисправный ремень, двигатель направляющего шкива, или механизм перемещения шкива

— Плохая протяжка ленты, колебания

Грязная головка и механизм привода; маховик, направляющий шкив, двигатель, подшипник (может быть, необходимо смазать негустым машинным маслом)

— Приемная бобина тянет

Грязные или неисправные ремни, шкивы, механическая задержка двигателя (может быть, нужна чистка и смазка)

— Кнопка выброса кассеты плохо работает

Проверьте пружину, механические части или неправильное расположение

5. Руководство по сервисному обслуживанию в блоках управления электродвигателями

Таблица 5. Неисправности бытового электрооборудования

Проблема ∙ Возможная причина

— Не нагревает

Плавкий предохранитель, переключатель, нагревательный элемент, выпрямитель, защита от перегрузки, шнур питания, соединения

— Не работает

Плавкий предохранитель, переключатель, выпрямитель, защита от перегрузки, шнур питания, соединения, вилка

— Бьет током

Проверьте на замыкание на корпус, зажатые или незакрепленные провода

— Аномальная, прерывистая работа

Проверьте соединения, контакты и т. д., прочистите прибор

— Различные проблемы с электродвигателем

См. Приложение 3

— Утечка воды, воздуха, масла и т. д.

Замените уплотнительные прокладки, затяните винты, соединения и т. д.

— Насос не качает

Проверьте/прочистите поршень, клапан, форсунку, пружину и т. д.

— Срабатывает защита от перегрузки

Проверьте на короткое замыкание/замените устройство защиты

— Шум, грохот, вибрация

Проверьте слабые контакты

— Не выключается

Проверьте переключатель, термостат

— Перегревается шнур питания

Проверьте вилку на наличие коррозии, проверьте на короткое замыкание, замените шнур

— Тостер не выдвигает готовый хлеб

Прочистите/замените термостат, проверьте/отрегулируйте рычаг

— Тостер не опускает хлеб

Проверьте на наличие препятствия, рукоятку, пластину термореле

— Тостер неравномерно нагревает

Проверьте/ замените нагревательные элементы

— Индикаторная лампочка не горит

Проверьте питание, замените лампочку

— Цикл таймера не отрабатывается

Замените таймер, термореле

— Недостаточный нагрев

Проверьте напряжение, соединения, контакты, температуру, регулирующий переключатель

6. Руководство по сервисному обслуживанию телевизоров

Таблица 6. Неисправности телевизоров

Проблема ∙ Секция ∙ Возможная причина

— Ничего не работает

∙ Источник питания

Шнур питания, плавкий предохранитель, размыкатель, выпрямитель, фильтр, переключатель, трубка, катод

— Не выключается

∙ Источник питания

Проверить диод/переключатель

— Низкое напряжение питания

∙ Источник питания или короткое замыкание в другом каскаде

Выпрямитель, фильтр

— Горизонтальные черно-белые полосы

∙ Источник питания

Фильтр

— Нет звука, нет изображения, трубка светится

∙ Источник питания

Трубка, плавкий предохранитель, фильтр, переключатель, размыкатель, выпрямитель

— Плохая настройка, дрожание

∙ Переключатель каналов

Прочистить, смазать переключатель каналов, контакты

— Помехи типа «снег»

∙ Переключатель каналов

Проверить схему усилителя/конвертора высокой частоты

— Плохое изображение, слабый звук или нет ни изображения, ни звука

∙ Переключатель каналов, промежуточная частота, видео детектор, АРУ

Проверить усилители, схемы

— Расплывчатое изображение, детали не видны, зернистая картинка

∙ Промежуточная частота

Проверить усилители, схему

— Искажения типа «елочка» или ползет

∙ Видеодетектор, видеоусилитель

Проверить фильтр звука

— Меняется уровень звука

∙ Промежуточная звуковая частота, детектор, выходной усилитель

Проверить управление звуком, усилители и тj\.

— Гул, искаженный звук

∙ Промежуточная звуковая частота, детектор, выходной усилитель

Отрегулировать звук, промежуточную частоту, схему

— Слабый звук

∙ Промежуточная звуковая частота, детектор выходной усилитель

Проверить усилители, схему

— Нет звука

∙ Промежуточная звуковая частота, детектор выходной усилитель

Усилители, схема

— Прерывистый звук

∙ Промежуточная звуковая частота, детектор выходной усилитель

Проверить соединения, усилители, схему

— Нет контрастности, бледное изображение

∙ Видео детектор, усилитель

Проверить усилитель, схему

— Перегруженное изображение

∙ АРУ

Проверить усилитель, схему

— Изображение волнами, искаженный звук

∙ АРУ

Проверить усилитель, схему

— Низкая яркость

∙ Строчная развертка, ЭЛТ

Проверить высокое напряжение, проверить ЭЛТ

— Серебристое изображение, расплывание изображения

∙ ЭЛТ

Проверить ЭЛТ

— Темные пятна на ЭЛТ

∙ ЭЛТ

Выгорание экрана, заменить ЭЛТ

— Потерян один из цветов изображения

∙ ЭЛТ, пушка цвета, демодулятор

Проверить пушку, ЭЛТ

— Вертикальное дрожание, одна горизонтальная линия, изображение сжато по вертикали

∙ Генератор вертикальной развертки, усилитель

Настроить линейность, размер по вертикали, синхронизацию, проверить усилители, схему∙ Схемы строчной развертки

— Изображение бежит по вертикали

∙ Вертикальная развертка/синхронизация

Проверить генератор, усилители, схемы

— Нет растрового изображения, звук нормальный

∙ Схемы строчной развертки, выпрямитель высокого напряжения, строчный трансформатор, ЭЛТ

Проверить высокое напряжение, ЭЛТ, схемы строчной развертки

— Изображение смещается из стороны в сторону

∙ Схемы строчной развертки

Генератор строчной развертки, демпфер, выходной каскад

— Высокочастотные помехи

∙ Схемы строчной развертки

Проверить выходной каскад

— Белые вертикальные полосы, дрожащее изображение, слабая яркость

∙ Схемы строчной развертки

Проверить демпфер и т. д.

— Треугольное, сжатое, имеющее неестественную форму изображение

∙ Отклоняющая система

Заменить отклоняющую систему

— Повернутое или разорванное по горизонтали изображение

∙ Отклоняющая система, синхронизация по горизонтали

Отрегулировать отклоняющую систему, проверить генератор строчной развертки, синхронизацию

— Конфетти

∙ Автоматический выключатель цвета, детектор цвета

Отрегулировать автоматический выключатель цветности, проверить схемы

— Слабые цвета

∙ Усилитель сигнала цветности

Проверить усилитель

— Размытое, белое изображение, потеря цвета

∙ Демодулятор

Проверить демодуляторы, усилители

— Смещающиеся цветные полосы

∙ Реактивное сопротивление

Проверить схемы

— Один из цветов слишком сильный

∙ Усилители цвета

Отрегулировать усилитель сигнала цветности

— Неправильные телесные тона

∙ Генератор цвета

Отрегулировать контроль оттенков

— Блеклые цвета

∙ Цветовые схемы

Соединения, демодуляторы, усилители и.т.д.

— Ненасыщенные цвета, плохой фокус

∙ Регулятор телевизора, регулятор фокуса

Проверить соединения, настроить телевизор, проверить схемы

— Все цвета слишком сильные

∙ Усилитель сигнала цветности

Отрегулировать контроль цвета, проверить усилитель цветности

— Высоковольтные дуги, щелчки и т. д.

∙ Выпрямитель высокого напряжения регулятора фокуса

Проверить соединительные провода, схемы

— Изображение с неясными цветами, окантовка изображения, положения цветов изменяется

∙ Сведение

Отрегулировать сведение лучей, проверить выпрямитель сведения лучей

7. Общее руководство по сервисному обслуживанию

Таблица 7

Проблема ∙ Предлагаемая техника устранения

∙ Плавкий предохранитель… 1, 2, 13

∙ Фильтр (конденсатор)… 2, 4, 11, 16

∙ Транзистор… 2, 4, 6, 7, 10

∙ Диод… 2, 3, 6, 10

∙ Печатная плата… 1, 2, 5, 6, 7, 8, 12

∙ Интегральная микросхема… 1, 2, 3, 6

∙ Электровакуумный прибор… 1, 2, 5, 15

∙ Катушка… 2, 3, 13, 16

∙ Трансформатор… 1, 2, 3

∙ Резистор… 1, 2

∙ Переключатель… 1, 2

∙ Лампа… 2, 3

∙ Провод/кабель… 1, 2, 17

∙ Обмотка двигателя… 13, 14, 17

∙ Якорь… 14

∙ Электронная схема… 1, 2, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 16

Примечание. Варианты технологий соответствуют номерам в таблице:

1. Измерения напряжения.

2. Измерения сопротивления.

3. Замена.

4. Шунтирование.

5. От вод сигнала.

6. Нагревание/охлаждение.

7. Отсечка транзистора.

8. Отслеживание сигнала.

9. Осциллограф.

10. Тестер диодов/транзисторов

11. Тест на искру.

12. Повторная пайка.

13. Тестовая лампочка.

14. Прибор для сооружения короткозамкнутых витков.

15. Тестер электронных ламп.

16. Тестеры другу» компонентов.

17. Мегомметр.

8. Руководство по сервисному обслуживанию в приемной аппаратуре ТВ/ЧМ

Причина ∙ Методы исправления

Паразитное изображение, вторичное изображение и тянущееся продолжение

— Возможен прием отраженного сигнала антеннами на мачте;

∙ перенаправьте антенну, поворачивая ее вправо и влево или вверх и вниз;

∙ увеличьте пространство между вашей телевизионной антенной и другими замените антенну на другую с высокой направленностью;

∙ убедитесь, что входной провод не перекручен;

∙ скрутите идущий от антенны двойной провод 300 Ом таким образом, чтобы он имел 3,5 оборота на метр;

∙ замените двойной провод 300 Ом на коаксиальный кабель

— Несоответствие импеданса

∙ проверьте, исправен ли телевизор. Замените телевизор;

∙ в областях с сильным сигналом используйте аттенюатор между проводом и телевизором (например, аттенюатор 12 дБ);

∙ проверьте соединения входных проводов

Изображение с помехами типа «снег» или зернистое

— Телевизор неисправен

∙ проверьте:

— точную настройку телевизора;

— установки АРУ;

— тюнер и схему промежуточной частоты;

∙ прочистите переключатель каналов (постучите по нему, если изображение

∙ мелькает, то необходимо провести его техническое обслуживание/чистку)

— Неисправный входной провод

∙ проверьте соединения входных проводов;

∙ замените входной провод

— Проблема в антенне/предусилителе

∙ измените направление антенны;

∙ увеличьте высоту антенны;

∙ замените антенну;

∙ замените предусилитель

Шум и помехи

— Зажигание автомобилей, двигатели, генераторы и т. д.

∙ замените провод 300 Ом на коаксиальный кабель;

∙ увеличьте высоту антенны

— ЧМ радио, диапазон технической связи, AM радио, радиолюбительский диапазон, самолеты создают помехи

∙ установите перед телевизором высокочастотный фильтр;

∙ поставьте еще один высокочастотный фильтр антенны;

∙ сократите длинные горизонтальные участки входного провода;

∙ используйте более качественный коаксиальный кабель;

∙ попробуйте использовать антенну с вертикальным расположением элементов (при влиянии самолетов)

— Линии высокого напряжения, рентгеновское излучение. диатермия и т. д.

∙ замените провод 300 Ом коаксиальным кабелем 75 Ом;

∙ переместите антенну

— Блики на изображении

∙ убедитесь, что элементы антенны закреплены и правильно установлены,

∙ проверьте телевизор (например, селектор каналов);

∙ может быть плохое соединение или оборван входной провод

— Плохой прием в дождливую и снежную погоду

∙ замените входной провод;

∙ замените входной провод 300 Ом на коаксиальный кабель 75 Ом;

∙ разместите элементы таким образом, чтобы они не соприкасались;

∙ проверьте/замените усилители, устройства согласования и т.д

9. Руководство по сервисному обслуживанию микрокомпьютеров

Симптом ∙ Действия

∙ Клавиатура

— Не отвечает на ввод с клавиатуры

1. Замените кабель клавиатуры

2. Замените клавиатуру

∙ Монитор

— Пустой экран (индикатор питания не горит)

1. Проверьте соединения шнура питания

2. Проверьте или замените шнур питания.

— Пустой экран (индикатор питания горит)

1. Максимально увеличьте контрастность.

2. Установите яркость на половину максимума.

3. Проверьте монитор на другом компьютере.

— Белый экран, темные края

1. Проверьте кабель монитора и его соединения.

∙ Флоппи-дисковод

— Не читает диски, форматированные разными компьютерами

1. Требуется регулировка положения головки

2. Требуется регулировка скорости.

— Часто портятся файлы. Ошибки данных

1. Прочистите головку

∙ Винчестер

— Не может читать/записывать при обращении к конкретной дорожке или сектору

1. Дефектный сектор: с помощью утилит исключите блок из использования.

— Не может читать/записывать при обращении к конкретной дорожке или сектору. Не загружается. Не может обратиться к директории

1. Переформатируйте.

2. Перезагрузите файлы

∙ Последовательный порт

— Не принимает/посылает символы

1. Соедините вывод 2 с выводом 3.

2. Проверьте, используя программное обеспечение.

3. При нажатии клавиш символы должны отражаться на экране

∙ Порт принтера

— Не печатает

1. Включите принтер.

2. Включите компьютер.

3. Послушайте, сбрасывается ли принтер во время теста при включении питания.

4. Замените принтер.

5. Замените кабель принтера

∙ Компьютер

— Не отвечает

1. Проверьте шнур питания.

2. Проверьте источник питания

— Не проходит тест при включении питания

1. Проверьте коды ошибок.

2. Запустите диагностику

∙ Манипулятор «мышь»

— Не отвечает

1. Проверьте, включено ли устройство.

2. Замените исправной «мышью».

3. Убедитесь, что установлен программный драйвер

10. Руководство по сервисному обслуживанию генераторов

Таблица 10

Симптом ∙ Протестируйте\Причина

— Прекращает работать в тепле

1. Регулятор.

2. Вентилятор охлаждения

— Вырабатывает низкое напряжение

1. Все измерительные приборы.

2. Все соединения и провода.

3. Диоды, ограничитель напряжения.

4. Регулятор.

5. Обмотки и якорь генератора

— Нет выходного напряжения

1. Возможно, сгорел предохранитель

2. Соединения.

3. Все провода на короткое замыкание и обрыв.

4. Регулятор, диоды, ограничитель напряжения

— Флуктуации напряжения

1. Тахометр.

2. Регулировочный реостат.

3. Наличие слабых соединений.

4. Регулятор.

5. Диоды, обмотки, возбудитель

— Чрезмерно высокое выходное напряжение

1. Измерительные приборы.

2. Все соединения.

3. Регулятор.

4. Диоды и полярность

11. Руководство по сервисному обслуживанию биомедицинского оборудования

Таблица 11

Симптом ∙ Решение

Диагностическое оборудование

— Не реагирует, не работает

1. Источник питания

— Сильный шум при работе

1. Соединение с пациентом или выбор входа

— Чрезмерные выходные показания

1. Пациент помогает

2. Интерфейс аппаратуры с пациентом

— Изображение нормальное, не удается получить твердую копию

Принтер или драйвер принтера

— Неточные выходные результаты

1. Необходима калибровка

2. Провести тестирование с использованием симулятора

Терапевтическое оборудование

— Нет выхода, нет индикации

1. Источник питания

— Нет выхода, индикаторы работают

1. Выходные каскады источника питания

— Слабый выход

1. Нарушена калибровка

2. Необходима настройка

3. Провести тестирование с помощью тестовой нагрузки

— Часто возникают тревожные сигналы

1. Проверить систему управления

2. Проверить возможные ошибки оператора

3. Проверить причины, связанные с пациентом

— Выход прерывистый

1. Проверить выходной кабель

12. Руководство по тестированию ионисторов

Фирма Maxwell Technologies проверяет свои ионисторы непосредственно с использованием цикла зарядки/разрядки постоянным током. Для того чтобы потребитель мог оценить прибор перед проверкой в рабочих условиях, может быть полезен тест на разрядку постоянным током.

Все конденсаторы из соображений безопасности хранятся разряженными.

Мы рекомендуем разряжать любой конденсатор, который не установлен в оборудование, и надевать закорачивающий кусочек провода на его выводы.

Ниже перечислено оборудование, необходимое для выполнения типичного теста на разрядку постоянным током:

♦ двунаправленный источник питания (питание/нагрузка) или отдельный источник питания и программируемая нагрузка (способная работать по постоянному току);

♦ прибор, позволяющий проводить измерения изменения напряжения во времени и хранить результаты (цифровой осциллограф или другое аналогичное оборудование);

♦ прибор, позволяющий проводить измерения колебаний тока во времени и хранить результаты (не обязателен, если вы уверены в установках источника питания и нагрузки).

Перед началом тестирования подключите оборудование сбора данных к выводам прибора и установите максимальную скорость регистрации данных (желательно, меньше 100 мс, чем быстрее регистрирует прибор, тем выше точность вычислений).

Подготовка

1. Установите необходимые предельные значения напряжения и тока источника питания и выключите питание.

2. Максимальный ток должен быть равен или меньше максимального тока испытываемого прибора. Maxwell обычно проводит тестирование своих элементов при величине токе 20–50 % от максимального, в зависимости от размера элемента. Если проводятся несколько тестов, необходимо обеспечить подачу воздуха для охлаждения.

3. Предельное напряжение должны быть равно максимальному напряжению ячейки, умноженному на количество последовательно включенных ячеек. Напряжение на одной ячейке должно быть не более 2,5 В. Шесть (например) последовательно включенных ячеек можно проверять при любом напряжении до 15 В (6 х 2,5 В = 15 В).

4. Подключите ионистор к источнику питания (после установки предельных значений тока и напряжения).

5. В зависимости от тока и длительности работы для поддержания температуры в допустимых для прибора пределах может потребоваться воздушное охлаждение.

6. Подключите приборы измерения напряжения и тока.

Заряд

1. Когда выполнены установки источника питания и ионистор подключен, включите источник питания.

2. Заряжайте конденсатор соответствующим током до достижения необходимого напряжения.

Разряд

1. Замечание. Если вы используете отдельную программируемую нагрузку вместо источника зарядного и разрядного тока, перед разрядом отключите источник от проверяемых ионисторов. (Недостаточно просто выключить его или установить на 0, поскольку у многих источников имеет место ток утечки.)

2. Установите нагрузку на соответствующее значение тока а разряд на 0,1 В, или насколько возможно низко.

3. НЕМЕДЛЕННО отключите нагрузку, как только будет достигнут минимум напряжения, позволяя при измерении исключить падение напряжения на внутреннем сопротивлении.

4. (Разряд можно остановить при любом напряжении. Maxwell, в зависимости от конкретного прибора, измеряет одни устройства при разряде до 0,1 В, другие — до половины начального напряжения. Величина емкости будут несколько выше при разряде до половины исходного напряжения, чем при разряде до 0,1 В.)

5. Измерьте следующие параметры:

— Vw —» исходное рабочее напряжение;

— Vmin — минимальное напряжение с нагрузкой;

— Id — ток разряда;

— Vf — напряжение через 5 с после снятия нагрузки;

— td — время разряда от исходного напряжения до минимального напряжения.

Вычисление емкости:

Емкость = (Id х td)/(Vw — Vj) = (Id x td)/Vd

Это изменение напряжения (Vw — Vj) используется потому, что оно устраняет вклад падения напряжения из-за эквивалентного последовательного сопротивления.

Эквивалентное последовательное сопротивление (при постоянном токе) вычисляется следующим образом:

ESR = Vf — Vmin/Id

Для измерения эквивалентного последовательного сопротивления на высоких частотах используется измерительный прибор или мост. Это сопротивление на частотах до 100 Гц обычно составляет 50–60 % от сопротивления при постоянном токе. Емкость может быть намного ниже из-за структуры электрода.

В Вычисления емкости и сопротивления можно выполнять и в цикле зарядки, используя аналогичные измерения.

Меры безопасности

Как и при проведении любых электрических тестов, вы должны быть достаточно осторожны. Необходимо соблюдать полярность и величину напряжения. Все соединения должны быть выполнены с расчетом на максимально возможный ток и изолированы для соответствующего напряжения. При проведении повторных испытаний может потребоваться воздушное охлаждение, чтобы устройства находились в рабочем диапазоне температур.

* * *

Content

Ден Томел, Нил Уидмер
«ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРОНИКЕ»

Благодарности

Предисловие

Введение

Глава 1 Принципы сервисного обслуживания

Глава 2 Контрольно-измерительные приборы для электронных устройств

Глава 3 Сервисное обслуживание двигателей и генераторов

Глава 4 Сервисное обслуживание промышленных устройств управления

Глава 5 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДКИ БЫТОВОГО И ПРОМЫШЛЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Глава 6 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ РАДИО- И ТЕЛЕВИЗИОННОЙ АППАРАТУРЫ

Глава 7 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ЦИФРОВЫХ МИКРОСХЕМ

Глава 8 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ЦИФРОВЫХ СХЕМ

Глава 9 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ

Глава 10 СЕРВИСНОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ БИОМЕДИЦИНСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

Приложения

1. Руководство по сервисному обслуживанию в двигателях

2. Руководство по сервисному обслуживанию блоков управления электродвигателями

3. Руководство по сервисному обслуживанию радио-и стереоаппаратуре

4. Руководство по сервисному обслуживанию магнитофонов

5. Руководство по сервисному обслуживанию в блоках управления электродвигателями

6. Руководство по сервисному обслуживанию телевизоров

7. Общее руководство по сервисному обслуживанию

8. Руководство по сервисному обслуживанию в приемной аппаратуре ТВ/ЧМ

9. Руководство по сервисному обслуживанию микрокомпьютеров

10. Руководство по сервисному обслуживанию генераторов

11. Руководство по сервисному обслуживанию биомедицинского оборудования

12. Руководство по тестированию ионисторов