Методы поиска неисправностей в сложных электронных устройствах. Урок 5

Время чтения: 27 минут

Все машины и устройства — это системы. Построенные людьми, они естественным образом отражают наше биологическое происхождение: с камерами вместо глаз, микрофонами вместо ушей, динамиками вместо голосовых связок, микропроцессорами вместо головного мозга. Даже названия многих элементов и наших частей тела звучат одинаково: у жёстких дисков, магнитофонов и проигрывателей дисков есть «головки» (heads), у проигрывателей виниловых дисков — «рука» (tone arm; в русском языке «тонарм»), у микросхем — «ножки» (foots), а у кинескопов — «шея» (neck; в русском языке более устоялось название «горловина»). Часть устройств, особенно управляемые программным обеспечением, даже проявляют «индивидуальность», или её подобие. Особенности работы устройств бывают раздражающими или, наоборот, успокаивающими. Их поломки очень похожи на человеческие проблемы со здоровьем: с симптомами, проявляющимися совсем не в том органе из-за сложного и неясного взаимодействия, которое никто, даже разработчик схемы, не предвидел.

Как с болезнями в теле, с электроникой много чего способно «пойти не так». Неполадки разные: от очевидных до неясных; автор статьи восстанавливал сложный прибор за пять минут, но сталкивался со странными случаями с относительно простыми устройствами, для которых диагноз одержимости демонами казался очень уместным! Сегодняшние цифровые схемы намного надёжнее, чем в ушедшую аналоговую эпоху, при этом техника часто имеет гораздо более короткий срок службы! Как эти утверждения верны одновременно? Современные гаджеты получили чрезвычайно большу́ю сложность, состоят из большего количества компонентов и потому большего количества взаимосвязей между ними. Это является фактором, снижающим общую надёжность.

В отличие от паяных вручную плат, заполненных разными типами компонентов, используемых раньше, современные малосигнальные платы с их рядами поверхностно монтируемых компонентов (SMD) выходят из строя не так часто. Но высокое энергопотребление сегодняшней техники (преимущественно компьютерной) требует сложных блоков питания, а исключительная компактность тяготеет к использованию массы коннекторов и шлейфов. Плюс часть деталей работают в намного более тяжёлых условиях, чем раньше, изнашиваются или ломаются из-за нагрузки (к примеру, электролитические конденсаторы в импульсных источниках питания). А благодаря быстрым темпам технологических изменений, конкуренции за производство недорогой продукции при очевидной затратности ремонта по сравнению с заменой устройства на новое, долговечность уже не выступает основной целью проектирования, как когда-то. Производители считают, что вы в любом случае захотите купить новый, более продвинутый гаджет через пару лет. Вопреки распространённому мифу, никто из производителей намеренно не создаёт «вечную» технику. Им это не нужно. Разгадка в том, что долго поддерживать современную технику в работоспособном состоянии сверхсложно! Ноутбуки — одни из самых дорогих гаджетов — больше остальных подвержены отказам, потому что сложнее и плотно упакованы, выделяют много тепла.

Кажется, что поломки электронной техники случайны. Некоторые компоненты ломаются по неясным причинам. Такое случается, но нечасто. О, конечно, когда производятся миллионы конденсаторов, транзисторов и микросхем, небольшое количество дефектных компонентов проскочит контроль качества. Сколько бы испытаний ни проводили производители. Но это мизерный процент. Гораздо чаще устройства ломаются по предсказуемому алгоритму, с каскадной серией событий, вытекающих из известных недостатков, характерных для конкретных типов компонентов и методов сборки. Рассмотрим факторы, лежащие в основе большинства отказов электронной техники.

Этот неприятный на слух термин применим к электронике, ломающейся практически сразу после начала эксплуатации. Брак в паяных соединениях, дефекты на молекулярном уровне в полупроводниках (смотри статью «Что такое полупроводник?») и ошибки проектирования (смотри статью «Проектируем печатную плату. Часть 1», «Часть 2», «Часть 3») являются базовыми причинами ранних отказов. Хотя многие продукты тестируются после изготовления, ограничение стоимости серийного выпуска и времени не располагают к тщательной проверке, кроме «премиум» устройств за оверпрайс.

Типичные «детские болезни» возникают в течение недели или двух после начала эксплуатации, что становится поводом к возврату продукта по гарантии. Таким образом, в практике ремонтника может ни разу не быть восстановления техники из-за производственного брака (только если продукт куплен в Новой Зеландии, и доставлен для эксплуатации в Москву, то есть возможность возврата отсутствует или это очень затратная процедура). Или продавец отказывается принять его обратно, а к вам попадает совершенно новое, но неисправное устройство, требующее восстановления. Особенно этим «грешит» китайская техника в худшем понимании этого понятия.

Движущиеся части, безусловно, ломаются чаще, чем электронные компоненты. Вентиляторы, переключатели, регуляторы, лентопротяжные механизмы магнитофонов и различные приводы движения дисков и лазерных головок — это неиссякаемые источники неполадок. Подшипники изнашиваются, смазка высыхает, резиновые пассики и ремни растягиваются. Ещё — переключатели окисляются, нейлоновые шестерни ломаются, шерсть домашних животных и пыль застревают в валах двигателей, а «старый-добрый» износ не щадит практически никого, и медленно, но верно убивает всё, что трётся или давит.

Если устройство имеет движущиеся части, включается, но не работает должным образом, прежде проверьте эти движущиеся части! На каждый транзистор, который вы замените, найдётся пять механических неисправностей. В новых продуктах нет движущихся частей, кроме переключателей. Но всё, что старше нескольких лет, вероятно, их имеет. И конечно же, проигрыватели DVD и Blu-Ray, проекторы и компьютеры по-прежнему имеют вращающиеся детали (не говоря уже о бытовой технике, которая в основном из движущихся частей и состоит!)

Различные контакты также являются механическими компонентами и выходят из строя очень часто. Подозрение падает на любое соединение, в котором контакты прижимаются друг к другу без пайки. В эту категорию входят переключатели, реле, вилки, розетки, кабели и их разъёмы.

Основной виновник — коррозия контактов, вызванная старением или воздействием неблагоприятных факторов окружающей среды, а иногда, в случае переключателей и реле, искрением при размыкании и замыкании (обгорание и электроэрозионный износ). Кроме того, некоторые виды консистентной смазки, используемые в переключателях, имеют тенденцию со временем высыхать, становясь хорошим изолятором. Если контактные лепестки на переключателе чёрные, готов поспорить — они покрыты толстым слоем оксида и лишены электропроводности.

Столь неприятный дефект в соединениях возникает в многослойных печатных платах. Когда-то двухслойная плата с дорожками с обеих сторон была экзотической конструкцией, используемой только в продуктах высшего класса. Сегодня двухслойные платы де-факто стандарт в более крупных или простых устройствах, тогда как мелкие и сложные гаджеты оборудованы платами с 6–8–10 и более слоями!

Неполадки возникают в соединениях между слоями. Эти соединения, называемые переходными отверстиями, делают по-разному. Лучший, самый надёжный способ — металлизированные сквозные отверстия, в которых медное гальваническое покрытие соединяет слои.

По мере того как платы уменьшались, металлизация становилась процессом всё изощрённее и дороже, что привело к появлению новой технологии, которая, увы, гораздо менее надёжна: переходные отверстия заполняются проводящим клеем. Этот тип переходных отверстий легко узнаваем по приподнятому выступу в месте соединения, который выглядит как, ну, капля клея. Проводящий клей перестаёт «быть проводящим» из-за деформации платы, чрезмерного тока и циклических термических нагрузок. Обнаружить такую неисправность сложно, как и отремонтировать.

Хотя предполагается, что пайка соединяет детали на молекулярном уровне и (в теории) работает бесконечно долго, паяные соединения часто выходят из строя, увеличивая переходное сопротивление до возмутительно больших величин. Когда это происходит в слаботочных цепях — это обычно производственный дефект, даже если уйдут годы, чтобы дефект проявился. Теплонагруженные компоненты, такие как выходные транзисторы (смотри статью «Транзисторы: принцип работы, схема включения, чем отличаются биполярные и полевые»), линейные регуляторы напряжения и процессоры на материнских платах компьютеров, могут сильно нагреваться, чтобы из-за циклических механических расширений и сжатий нарушить паяное соединение. Со временем такое соединение становится ненадёжным: увеличивается переходное сопротивление, которое ещё больше способствует нагреву или появляется эффект «термовыключателя», когда соединение работает «на холодную», а с прогревом перестаёт.

Многие дефектные паяные соединения визуально определяются по их тусклому, пятнистому или потрескавшемуся виду. Однако периодически вы будете встречать идеальные с виду, но всё равно не работающие, потому что нарушение молекулярных связей находится глубоко в толще пайки.

Соединение сбоит из-за коррозии вывода компонента или контактной площадки. Особенно часто встречается такое у конкретных электронных компонентов конкретных производителей. Наработав опыт, вы научитесь замечать их намётанным глазом.

Тепло — враг электроники. Оно не применимо к большинству карманных гаджетов, но более крупные устройства, такие как видеопроекторы, телевизоры и усилители звука (смотри статью «Усилители звука. Разновидности, классы усиления и виды схемотехники»), часто выходят из строя из-за чрезмерного нагрева. То же самое касается блоков питания и материнских плат компьютеров.

Блоки питания выделяют изрядное количество тепла и особенно склонны к выходу из строя из-за него. Резкий перегрев от чрезмерного тока из-за короткого замыкания компонента может быстро разрушить полупроводниковые приборы (смотри статью «Что такое полупроводник?») и резисторы.

Но обычное тепло, выделяемое при использовании исправного устройства, может также постепенно разрушать электролитические конденсаторы: большие, которые используются в качестве фильтрующих элементов источника питания, пока они не потеряют большую часть своей ёмкости или их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) не станет достаточно высоким, чтобы сделать их неэффективными.

Работа устройства при слишком высоком напряжении питания повреждает его многочисленными способами. Регулятор напряжения в блоке питания может какое-то время пытаться поддерживать выходное напряжение в заданных пределах, но в один прекрасный момент перегревается из-за рассеивания чрезмерной мощности, особенно если это линейный регулятор.

Электролитические конденсаторы могут «уйти» в короткое замыкание или взорваться из-за работы слишком близко к своим предельным напряжениям или выше их. Полупроводники с присущими им требованиями к предельному напряжению могут выйти из строя очень быстро.

Перенапряжение вызывает подключение неподходящего или неисправного адаптера, скачки в питающей сети или использование щелочных гальванических элементов напряжением 1.5 вольт в устройстве, предназначенном для работы только с аккумуляторами с напряжением 1.2 вольта. Таким образом, с четырьмя элементами вы получаете 6 вольт вместо 5 вольт, которые уже могут быть губительны для устройства. Большинство схем могут справиться, но не все. Максимальное напряжение питания многих цифровых микросхем установлено на уровне 5.5 вольта; 6 вольт для них уже представляет смертельную опасность.

Хотите верьте, хотите нет, но пониженное напряжение питания тоже вызывает неисправности! Устройства с импульсными преобразователями или стабилизаторами напряжения компенсируют пониженное напряжение питания, пропуская больший ток через свои ключевые транзисторы, дроссели и трансформаторы с более широкими импульсами, чтобы поддерживать выходное напряжение на требуемом уровне. Это может вызвать перегрев компонентов блока питания, не рассчитанного на такой режим работы.

Ещё нередки случаи выхода устройств от удара молнии в антенну или в воздушные линии переменного тока. От прямого удара «страдают» телевизоры, тюнеры, ресиверы и другая аппаратура связи, имеющая крупные антенны. Чаще всего удар молнии приводит к катастрофическим повреждениям, не подлежащим восстановлению. Устройства тогда утилизируются; даже с виду исправные компоненты не рекомендую использовать повторно, так как срок их службы серьёзно снижен.

Скачки, когда напряжение в линии переменного тока поднимается до высоких уровней только на мгновение, могут нанести большой ущерб. Скачки иногда являются результатом ошибок в коммутации на подстанциях, но чаще броски напряжения вызывает удар молнии непосредственно в линию или рядом с ней. Как правило, в таких случаях выходит из строя блок питания устройства, но само устройство остаётся исправным. Когда через компоненты проходит слишком большой ток, они перегреваются и могут сгореть, иногда буквально, превращаясь в куски угля. Когда происходит перегрузка по току, какой-то другой компонент замыкается, к примеру, на массу, пропуская избыточный ток сквозь всё, что подключено последовательно с ним.

Ничто не убивает полупроводниковые компоненты так быстро, как обратная полярность. Многие полупроводники, и особенно микросхемы, почти всегда не имеют возможности справиться с током, идущим в неправильном направлении доли секунды. Когда преимущественным источником питания портативной аппаратуры были гальванические элементы («батарейки»), неправильная их установка часто приводила к повреждению устройств. В настоящее же время, питание гаджетов осуществляется от аккумуляторных батарей и чаще всего несъёмных, так что переполюсовка ушла на второй план, но всё же встречается, особенно при неквалифицированной замене этой самой аккумуляторной батареи.

Частой причиной смерти устройств от обратной полярности является попытка питания устройства от неподходящего адаптера переменного тока. Сегодня большинство адаптеров переменного тока имеют положительный полюс в центре своих коаксиальных разъёмов питания постоянного тока, а отрицательный — на внешней стороне. Так что автомобильный адаптер, подключаемый к гнезду прикуривателя, предназначенный для зарядки мобильного телефона или ноутбука, не «сгорит», если внешняя, неизолированная отрицательная клемма его разъёма коснётся кузова автомобиля, также с отрицательным потенциалом.

Однако имеется немало адаптеров питания, имеющих положительный полюс питания на внешней неизолированной стороне разъёма или сам разъём такой конструкции, что позволяет случайно (или полуслучайно) подключить его неверной полярностью. Даже у одного производителя обе рассмотренные схемы применимы в разных продуктах. Особенно часто неполадки происходят при подключении электромузыкальных инструментов и гитарных педалей эффектов, где нет чёткого стандарта ни уровня напряжения, ни полярности, и аналогичные устройства питаются от 9 вольт, от 12 вольт, и имеют адаптеры с разной полярностью. Повреждения техники при обратной полярности бываю как незначительные (к примеру, предохранитель), если производитель позаботился об организации мер защиты или фатальными (к примеру, процессор), если напряжение непосредственно поступало на питание ответственных компонентов.

Не все «электрические» неисправности вызваны внешними факторами или случайными отказами компонентов. Иногда ошибки проектирования, заложенные в продукте, и возникающие в результате этого неисправности не проявляются, пока не пройдёт определённый срок эксплуатации. Когда производитель начинает получать множество гарантийных претензий по ремонту одинаковой неисправности, уважающая себя компания проводит изменение конструкции устройства, выпускает уведомление и запускает акцию бесплатного постгарантийного ремонта. Это особенно важно, если дефект представляет угрозу (к примеру, обнаружена ошибка проектирования в блоке подушек безопасности автомобиля).

Так должно быть. Иногда компании не хотят тратить деньги на исправление ошибок, поэтому просто отрицают проблему. Или, если симптом проявляется лишь у части устройств, они рассматриваются как случайные неисправности, даже при массовом характере поломок. Возможно, чтобы неполадка стала очевидной, требуется определённый вид использования или последовательность действий, и производитель искренне считает, что конструкция достаточно надёжна.

А некоторые устройства, не используемые достаточно часто, могут и не столкнуться с неисправностью или столкнуться, но после многолетней эксплуатации. Каждому ремонтнику приходится устраивать заводские дефекты: вы должны хорошо изучить неполадку и по возможности найти рекомендации производителя по устранению.

Микросхемы, транзисторы, резисторы и конденсаторы выдерживают удары при падении, хотя бы большую часть времени. Однако многие другие детали не выдерживают. Печатные платы могут легко выйти из строя после малейшей деформации. Более крупные детали, с большей массой, часто ломают область платы, где смонтированы. Это часто случается с трансформаторами и большими конденсаторами. В случае однослойной или двухслойной платы вы отремонтируете трещины в печатных проводниках с помощью их зачистки и запайки. В случае же многослойной платы восстановить её, как правило, невозможно.

Жидкокристаллические или люминесцентные дисплеи, электронные лампы редко выдерживают падение на твёрдую поверхность. Очень тонкие, длинные люминесцентные лампы внутри дисплеев отдельных ноутбуков наиболее уязвимы для поломки. Хотя ноутбуки с такими дисплеями уже редкость.

Если надолго оставить угольно-цинковые или щелочные элементы питания установленными в устройство, они могут потечь. Даже не могут — потекут в ста процентах случаев. Устройства с высоким энергопотреблением, требующие частой замены батареек этим, как правило, не страдают. Пульты дистанционного управления являются главными кандидатами на повреждение контактов и платы из-за утечек химикатов из элементов питания. Как правило, пульты комплектуются дешёвыми некачественными батарейками, из-за низкого энергопотребления служащими годами. Но когда придёт время для замены, то будет поздно: потребуется ремонт пульта, так как электролит батареек уже «натворил дел».

Электролит довольно едкий и разъедает пружинные контакты и компоненты на плате: это наиболее частая и неприятная неисправность. Медные дорожки и контактные площадки «гниют», межслойные соединения нарушатся, разрушатся выводы соседствующих электронных компонентов. Большинство ценящих своё время мастеров не берётся за такой ремонт, исключая случаи крайней редкости и высокой стоимости устройства.

Частой неисправностью в портативной электронике является повреждение дисплея из-за удара и платы вследствие механической нагрузки, к примеру, чрезмерного сгиба. Легко выгнуть корпус обратно, и приблизиться к его первоначальной форме, но повреждения внутри уже таким образом не устраняться. Некоторые мастера занимаются исключительно заменой дисплеев у смартфонов и смарт-часов и всегда имеют обилие работы.

Жидкость и электроника несовместимы. Но люди постоянно пытаются их «совместить», проливая кофе или вино на ноутбуки и роняя смартфоны в ванну. Можно лишь пожелать удачи тем, кто пытается отремонтировать их своими силами, к примеру, с помощью сушки в рисе. Скажу честно, этот способ не работает. Промывка устройства в дистиллированной воде с сушкой с помощью горячего воздуха — здоровая альтернатива, но вероятность полного восстановления крайне мала. Через какое-то время электрохимическая коррозия напомнит о себе и устройство выйдет из строя.

Почти всегда, и особенно при проникновении солёной воды, устройство не отремонтировать. Даже нахождение рядом с солёной водой выводит электронику из строя. Радиосвязное оборудование, навигационные системы, медиа-техника, расположенная на судне или даже в прибрежном доме, сильно корродирует изнутри: ржавеет корпус, окисляются выводы компонентов и паяные соединения, а все внутренности засыпает зелёным порошком оксидов и гидрооксидов металлов.

Пляжи морей и океанов — «отличное» место для гибели смартфонов и камер. Большинство цифровых камер оснащены объективами, выдвигающимися при включении камеры и работе зума. Даже несколько песчинок приводят к заклиниванию подвижных частей и выходу камеры из строя. А падение камеры в песок чревато поломкой и невозможностью ремонта, если камера попытается провернуть заклинившие из-за обилия песка механизмы, рискующие погнуться или сломаться из-за чрезмерной нагрузки.

Примерно в 1990 году сотрудник азиатского завода, производящего электролитические конденсаторы, украл формулу электролита, сбежал на Тайвань и открыл собственный завод, выпуская миллионы различных электролитических конденсаторов, применяемых в бесчисленных потребительских товарах от крупных производителей. Несколько других тайваньских производителей конденсаторов также скопировали формулу. Увы, формула содержала ошибку, поэтому электролит в конденсаторах разрушался, выделяя водород. Через несколько лет эксплуатации компоненты разбухали, разгерметизировались и выпускали едкий электролит на печатные платы устройств, серьёзно повреждая их и выводя из строя.

Ужасный «маленький» секрет тщательно скрывался, пока не истекли гарантийные сроки. После стал известен общественности, но поздно. Были утеряны фотоаппараты, видеокамеры и другие гаджеты стоимостью в миллиарды долларов — всё за счёт их владельцев. Любая попытка ремонта, как правило, заканчивалась неудачей, так как повреждения устройств оказывались «несовместимы с жизнью». Катастрофа была настолько всеобъемлющей и проявилась достаточно долго, что многие компании настаивали — отказы случайны, и так и не признали ответственности за использование некачественных компонентов.

Совсем недавно подобные случаи с электролитом в конденсаторах продолжали преследовать материнские платы компьютеров и блоки питания различных продуктов. Конденсаторы просто умирали через 1–2 года эксплуатации. Даже учитывая высокую мощностную нагруженность современных импульсных блоков питания и высокую температуру пайки бессвинцовыми припоями, они не должны выходить из строя так быстро. Были поданы судебные иски, и некоторые производители ликвидировали неполадки в своих линейках продукции.

Тем не менее весьма вероятно, что ремонтируя очередное устройство, вы столкнётесь со вздутыми конденсаторами. Возможно, чаще, чем с любой другой причиной поломки. Даже если электролиты не вздутые, конденсаторы могут просто потерять способность хранить энергию, показывая почти нулевую ёмкость или чрезвычайно высокое эквивалентное последовательное сопротивление. Делайте акцент на неисправность электролитических конденсаторов и обзаведитесь хорошим измерительным прибором для проверки их основных параметров!