В погоне за дикими призраками

Поначалу это не вызывало сомнений. Оборудование примерно 1985 года, до сих пор используемое телекоммуникационными компаниями, представляло собой дистанционно управляемый анализатор витых пар телефонного кабеля. Пару лет назад мы провели обширный реверс-инжиниринг и отремонтировали несколько из них, но OEM-производитель прекратил свое существование. Заказчик был настолько доволен нашей предыдущей работой, что недавно поступил в ремонт еще один экземпляр такого же антиквариата.

Как эксперту в данной области, который занимался первоначальным реверс-инжинирингом, этот проект достался мне. Я извлек свои записки и попытался освежить в памяти то, что изучал 2 года назад. Решение простое – проблема с блоком питания. Это был простой нестабилизированный DC/DC преобразователь без обратной связи: –48 вольт на входе, двухтактный понижающий трансформатор с отводом от середины, линейно стабилизированные ±15 В и +5 В на выходе (Рисунок 1). Несколько резисторов сгорели дотла, ограничительный диод между коллектором и эмиттером был закорочен, линейные стабилизаторы напряжения 7815 и 7915 вышли из строя из-за утечки на землю (к счастью, поскольку это, как мы надеялись, спасло цепи нагрузки от повреждения), пять электролитических конденсаторов высохли, и измерения показывали обрыв. Все неэлектролитические конденсаторы были хорошими. В качестве меры предосторожности я заменил все полупроводники блока питания, даже те, которые все еще были исправны, поскольку теперь из-за перенесенных перегрузок они, вероятно, были склонны к неминуемому выходу из строя.

Рисунок 1.	Схема обманчиво проста. Что с ней может быть не так?

Найти замену снятым с производства биполярным n-p-n транзисторам драйвера TIP51 было довольно сложно, но в конце концов нашелся NTE394, который с точки зрения электрических характеристик выглядел подходящим. У него был более крупный корпус TO-249 вместо оригинального TO-218, но он был того же стиля «винт-радиатор», и все механические размеры казались нормальными. В данном случае радиатором служило само металлическое шасси корпуса.

При монтаже оригинальных транзисторов TIP51 использовались прокладки из теплопроводящей резины и пластиковые втулки для электрической изоляции фланцев коллектора от корпуса, но эти изоляторы были слишком малы, чтобы их можно было повторно использовать с новыми транзисторами. Каждый NTE394 поставляется с большим слюдяным изолятором, на обе стороны которого требуется нанести тонкий слой термопасты для обеспечения достаточной теплопроводности. Что-то подобное – Arctic Silver 5 – было в наших запасах, и я использовал эту пасту. Сначала я был немного смущен тем, что смазка состояла из микрочастиц серебра, взвешенных в «усовершенствованном полисинтетическом масле», но в ее паспорте было указано, что она не электропроводна. Слюдяные изоляторы, поставляемые с новыми NTE394, выглядели немного потрепанными и помятыми там, где они были согнуты при транспортировке, но все еще оставались целыми, поэтому я использовал их.

Из осторожности первый пробный запуск я сделал при напряжении 20 вольт вместо обычных 48 вольт – тест на дым будет успешным только в том случае, если проверяемое устройство не дымит. (Возможно, его следует называть тестом на антидым). Осциллограф на коллекторе одного из переключающих транзисторов показывал колебания в течение нескольких секунд (ура!), а затем колебания внезапно прекратились. Последующие включения питания при более высоком напряжении приводили к «срыву» – короткому всплеску колебаний из нескольких периодов, как показано на Рисунке 2, за которым следовала пауза в несколько миллисекунд перед повторением.

Рисунок 2.	Срывы колебаний повторялись каждые несколько миллисекунд. VIN = –48 В. Синий цвет – база транзистора Q1, красный – коллектор Q1; земля – эмиттер Q1.

Этот блок питания заставил меня пуститься в погоню за призраками. Для продолжения тестирования при пониженном напряжении 20 В, я временно уменьшил сопротивление резистора смещения базы 46.4 кОм, чтобы снова запустить срыв, надеясь ничего не взорвать. Затем последовал самый разочаровывающий, ломающий голову, мучительно болезненный опыт поиска неисправностей, с которым я когда-либо сталкивался.

Прерывание колебаний не зависело от напряжения питания, даже при уменьшенном сопротивлении резистора смещения базы. Иногда оно начиналось при 18 вольтах, иногда – только при 30 вольтах. При отсутствии блокировки схема потребляет всего около 10 мА, оба транзистора двухтактной схемы слегка открываются, так что, очевидно, коротких замыканий нет.

Чтобы исключить возможность перегрузки, я удалил мостовые выпрямители. Колебания схемы все равно прерывались.

Если все неисправные компоненты уже заменены, может ли проблема быть в трансформаторах? Запасного основного трансформатора Т1 (заключенного в металлический корпус, изготовленного на заказ и ныне не выпускаемого), не было, но Т2 представлял собой несколько витков обмоточного провода на тороидальном сердечнике. Были ли в нем закороченные витки? Был ли сердечник каким-то образом намагничен и стал насыщаться из-за предыдущих неисправностей? Я снял его с печатной платы и измерил индуктивность с помощью схемы, показанной на Рисунке 3.

Рисунок 3.	Измерение индуктивности трансформатора с помощью осциллографа и генератора прямоугольных импульсов.

Рисунок 4 выглядит не так плохо, но колебания довольно сильно затухают даже при разгрузке всех обмоток. Закорачивание другой половины первичной обмотки привело к резкому уменьшению индуктивности, доказывая отсутствие короткозамкнутых витков.

Рисунок 4.	Отклик трансформатора, индуктивность которого, рассчитанная по формуле L = 1/[(2πf)2C] при емкости C = 1 нФ, составляет 21.3 мкГ.

Из-за низкого напряжения выход трансформатора из строя в реальных условиях эксплуатации был маловероятен, а сердечник тороида не был электропроводным, и значит, не был поврежден скачком высокого напряжения (например, ударом молнии). Но все еще оставался вопрос о возможном намагничивании сердечника или невидимой трещине, и поскольку у меня в столе было несколько тороидальных сердечников примерно такого же размера, я намотал несколько трансформаторов с одинаковым количеством витков. Тип материала оригинального сердечника был неизвестен, но результат проведенного на скорую руку эксперимента был близок к показанному на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Трансформатор на тороидальном сердечнике Amidon FT-50A-77 имеет более высокую индуктивность (85.9 мкГн), но в остальном подходит для эксперимента.

К сожалению, срыв колебаний продолжался, поэтому я установил оригинальный T2 обратно на печатную плату, а остальные трансформаторы выбросил обратно в ящик с барахлом для будущего использования. 

Я снял основной трансформатор T1 с печатной платы и провел аналогичные тесты. Опять же, замыкание другой обмотки привело к резкому уменьшению индуктивности, доказывая, что внутри трансформатора не было закороченных витков. Но что он делал при более высоком напряжении в нормальном режиме работы?

Обратите внимание (на Рисунке 1) на обмотку трансформатора Т1 с последовательным резистором 82.5 Ом и конденсатором 0.1 мкФ. Я разомкнул эту ветвь, вставил (последовательно) небольшой трансформатор (Midcom 50398, еще один артефакт из ящика моего лабораторного стола) и подал на него прямоугольные импульсы от функционального генератора. Это заставило схему работать в непрерывном режиме, чтобы лучше понять, что происходит со срывом колебаний.

Прямоугольные импульсы дифференцировал конденсатор емкостью 0.1 мкФ, чтобы ограничить время включенного состояния транзисторов, желательно до безопасного значения, которое не приведет к взрыву транзисторов при непрерывной работе.

Я снова подключил трансформатор T1 к схеме с помощью нескольких проводов с зажимами «крокодил». Для измерения токов транзистора и трансформатора я вставил резистор сопротивлением 1 Ом в эмиттерную ветвь схемы и закоротил второй дроссель 129 мкГн (тот, что включен параллельно диоду и резистору 27 Ом), чтобы исключить его влияние на измерения. После этого ток можно было измерить осциллографом по падению напряжения на резисторе 1 Ом. Из-за индуктивности ненагруженного трансформатора я должен был видеть нарастающий фронт каждого импульса тока. Вместо этого я увидел то, что вы видите на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Похоже, что ток первичной обмотки Т1 нарастает не так, как ожидалось. Красный цвет – напряжение на коллекторе Q2; синий – ток эмиттера, проходящий через резистор 1 Ом: 1 В = 1 А; земля осциллографа подключена к резистору 1 Ом. (Средний ток, потребляемый от лабораторного источника питания, составлял 220 мА). Что-то не так с трансформатором T1?

Не имея возможности получить еще один трансформатор Т1 того же типа, для временного теста я снял синфазный дроссель с ненужной платы примерно такой же номинальной индуктивности. Синфазный дроссель имел две одинаковые обмотки и мог стать хорошей тестовой заменой первичной обмотки с центральным отводом ненагруженного трансформатора T1 для проверки моей схемы. Я удалил оригинальный T1 из схемы и подключил этот дроссель к исследуемой схеме с помощью тех же проводов с зажимами «крокодил».

Рисунок 7.	С синфазным дросселем вместо трансформатора T1 при включении транзистора Q2 изменений не происходит, но при включении Q1 ток хорошо нарастает. Красный цвет – напряжение на коллекторе Q2; синий – ток эмиттера, проходящий через резистор 1 Ом: 1 В = 1 А; земля осциллографа подключена к резистору 1 Ом. (Средний ток, потребляемый от лабораторного источника питания, составлял 220 мА).

Результаты стали откровением. См. Рисунки 7 и 8.

Рисунок 8.	Не могу объяснить увиденное. Почему ток нарастает правильно только через Q1? Красный цвет – напряжение на коллекторе Q1. Пики зашкаливают за 200 вольт. Синий цвет – ток эмиттера, проходящий через резистор 1 Ом: 1 В = 1 А. (Средний ток, потребляемый от лабораторного источника питания, составлял 220 мА). Земля осциллографа подключена к резистору 1 Ом.

В отличие от оригинального трансформатора, нагрузка в виде синфазного дросселя показала очень разные характеристики переключения между двумя транзисторами двухтактного каскада. Перемена концов обмоток дросселя ничего не изменила, проблема оставалась с транзистором Q2. Совершенно очевидно, что что-то было не так с частью схемы, связанной с Q2.

Наконец, получив надежную подсказку для работы, я снова взялся за омметр. Коллекторы обоих транзисторов Q1 и Q2 имели сопротивление на корпус 21.5 Ом. Теперь я нашел виновника – должно быть, это конденсатор 1 мкФ между центральным отводом T1 и который, проверка которого ранее показала его исправность. Но нет – удаление этого конденсатора с платы ничего не изменило. И никакого другого соединения этой цепи с корпусом не было, несмотря на то, что мне говорил омметр.

Затем у меня возникло неприятное подозрение, и, поскольку омметр все еще был подключен, я вывернул крепежный винт транзистора Q2 примерно на четверть оборота. Показания прибора подскочили почти до 8 кОм.

Я открутил крепежный винт транзистора Q1 – показания прыгнули в бесконечность – разрыв цепи.

Каким-то образом монтажные фланцы коллекторов транзисторов имели утечки через слюдяные изоляторы на корпус. Я знал, что там, где изоляторы были согнуты, осталась небольшая складка, но это не должно было вызвать никаких проблем, даже если трещины полностью проникли через изоляторы, поскольку термопаста не проводит ток – об этом свидетельствуют технические характеристики.

Я еще раз заглянул в документацию. Термопаста является изолятором, если ее нанести на печатную плату. Она предназначена для радиаторов, прикрепляемых к процессорам; наши сотрудники используют эту пасту при установке радиаторов на корпуса BGA. При таком использовании, даже если бы она была проводящей, это не имело бы значения.

Но в документации ничего не говорится о том, что происходит, когда паста сжимается под гораздо бóльшим давлением винта, крепящего фланец транзистора к радиатору. Помните, что паста содержит микроскопические частицы серебра, погруженные в масляную основу? Не могли ли эти частицы серебра соприкасаться друг с другом при сильном сжатии? И если это так, то при вдавливании в трещину, которая полностью пронизывает слюдяной изолятор, эта паста может вызвать именно ту проблему, которую я наблюдал.

Я отправил электронное письмо в компанию Arctic Silver, и через пару часов мне позвонили по телефону. Да, они подтвердили, что под давлением их продукт становится электропроводным.

Затем я раздобыл еще два неповрежденных слюдяных изолятора и немного настоящей термопасты, не содержащей частиц серебра – ну, знаете, той белой субстанции, которую все называют птичьим пометом. После этого проблем больше не возникало.