Как проверить блок питания осциллографом

Диагностика неисправностей блока питания с помощью мультиметра

Недавно понадобилось произвести диагностику питания, для того чтобы понять по какой причине не запускается машина. К сожалению, в интернете оказалось мало годных статей на эту тему, поэтому пришлось самому лезть в даташиты.
Эта статья является выжимкой из моих изысканий и надеюсь поможет кому-нибудь, когда им придется заниматься тем же самым.

Дисклеймер номер раз: Данная статья относится только к обычным блокам питания стандарта ATX, она не относится к проприетарным стандартам блоков (например как у старыx рабочиx станциях DELL или SUN), использующим другую распиновку ATX-коннектора. Внимательно сверьтесь со схемой и убедитесь в том, что ваш блок питания является стандартным прежде чем проводить диагностику, во избежании причинения вреда вашему компьютеру.

Дисклеймер номер два: Вы должны понимать что вы делаете и соблюдать технику безопасности, в том числе электростатической (в т.ч. работать в антистатическом браслете). Автор не несет ответственности за порчу оборудования или вред здоровью вследствие несоблюдения или незнания техники безопасности и принципов работы устройства.

Перейдем к теории:

Стандарт ATX имеет 2 версии — 1.X и 2.X, имеющие 20 и 24-пиновые коннекторы соответственною, вторая версия имеет 24-x 4 дополнительных пина, удлиняя тем самым стандартный коннектор на 2 секции таким образом:

Прежде чем мы начнем, расскажу про “правила большого пальца” по отношению к неисправностям:
1) Проблемную материнскую плату легче заменить чем починить, это крайне сложная и многослойная схема, в которой разве что можно заменить пару конденсаторов, а обычно это проблемы не решает.
2) Если вы не уверены в том что вы делаете, то не делайте этого.

Перейдем к диагностике:

Вам понадобится обычный мультиметр. Необходимы достаточно тонкие щупы, для того чтобы мы могли тыкнуть в провод с задней части коннектора.
Ничего из корпуса не вынимаем. Диагностику проводим с коннектором питания в материнской плате, и включенным блоком питания, подключенным к сети.

Если ваш мультиметр не имеет функции автоматической подстройки диапазона, то выставьте его на измерение десяток вольт постоянного напряжения. (Обычно обозначается 20 Vdc)
Поставим черный щуп на землю (GND-pin, COM, см. схему выше) — черный провод, к примеру контакты 15, 16, 17.

Концом красного щупа тыкаем в:
1) Пин 9 (Пурпурный, VSB) — должен иметь напряжение 5 вольт ± 5%. Это резервный интерфейс питания и он работает всегда, когда блок питания подключен к сети. Он используется для питания компонентов, которые должны работать, пока 5 основных каналов питания недоступны. К примеру — контроль питания, Wake on LAN, USB-устройства, контроль вскрытия и т.д.
Если напряжения нет или он меньше/больше, то это означает серьезные проблемы со схемой самого блока питания.

2) Пин 14 (Зеленый, PS_On) должен иметь напряжение в районе 3-5 вольт. Если напряжения нет, то отключите кнопку питания от материнской платы. Если напряжение поднимется, то виновата кнопка.

Все еще держим красный щуп на 14ом контакте…
3) Смотрим на мультиметр и нажимаем кнопку питания, напряжение должно упасть до 0, сигнализируя блоку питания о том, что надо врубать основные рельсы питания постоянного тока: +12VDC, +5VDC, +3.3VDC, -5VDC и -12 VDC. Если изменений нет, то проблема либо в процессоре/материнской плате, либо в кнопке питания. Для того чтобы проверить кнопку питания вытаскиваем ее коннектор из разъема на материнской плате и легонько закорачиваем пины легким прикосновением отвертки или джампером. Также можно попробовать аккуратно проводом закоротить PS_On на землю сзади. Eсли изменений нет, то скорее всего что-то случилось с метринской платой, процессором или его сокетом.
Если подозрения все-таки падают именно на процессор, то можно попытаться заменить процессор на известный исправный, но делать это на свой страх и риск, поскольку если убила его неисправная мать, то тоже самое может случиться и с этим.

При напряжении ~0 В на PS_On… (Т.e. после нажатия на кнопку)
4) Проверяем Pin 8 (Серый, Power_OK) он должен иметь напряжение ~3-5V, что будет означать что выходы +12V +5V и +3.3V находятся на примемлемом уровне и держат его достаточное время, что дает процессору сигнал стартовать. Если напряжение ниже 2.5V то ЦП не получает сигнала к старту.
В таком случае виноват блок питания.

5) Нажатие на Restart должно заставить напряжение на PWR_OK упасть до 0 и быстро подняться обратно.
На некоторых материнских платах этого происходить не будет, в случае если производитель использует “мягкий” триггер перезагрузки.

При напряжении ~5V на PWR_OK
6) Смотрим на таблицу и сверяем основные параметры напряжения на коннекторе и всех коннекторах периферии:

Тестируем на пробои:

ОТКЛЮЧАЕМ КОМПЬЮТЕР ОТ СЕТИ и ждем 1 минуту пока уйдет остаточный ток.

Ставим мультиметр на измерение сопротивления. Если ваш мультиметр не имеет автоматической подстройки диапазона, то ставим его на самый нижний порог измерений (Обычно это значок 200 Ω). Из-за погрешностей, замкнутая цепь не всегда соответствует 0 Ом. Сомкните щупы мультиметра и посмотрите какую цифру он показывает, это и будет нулевым значением для замкнутой цепи.

Проверим цепи блока питания:
Вынимаем коннектор из материнской платы…
И держа один из концов мультиметра на металлической части корпуса компьютера…
1) Дотрагиваемся щупом мультиметра до одного из черных проводов в коннекторе, а потом до среднего штырька (земли) сетевой вилки. Сопротивление должно быть нулевым, если это не так, то блок питания плохо заземлен и его следует заменить.
2) Дотрагиваемся щупом до всех цветных проводов в коннекторе по очереди. Значения должны быть больше нуля. Значение, равное 0 или меньше 50 Ом означает проблему в цепях питания.

Тестируем материнскую плату на пробои:
Вынимаем процессор из сокета…
Внимательно рассматриваем схему выше и, используя коннектор питания как пример, изучаем какие порты разъема чему соответствуют. Это очень важно, поскольку тестировать можно только землю (GND, Черные провода) иначе ток мультиметра может повредить цепи материнской платы.
3) Дотрагиваемся одним щупом мультиметра до шасси, а другим тыкаем во все разъемы земли (GND, пины 3, 5, 7, 13, 15, 16, 17) и смотрим на мультиметр. Сопротивление должно быть нулевым. Если оно не нулевое вытаскиваем материнскую плату из корпуса и тестируем опять, только в этот раз один из щупов должен касаться металлизированного колечка у отверстия для шурупов на которых плата фиксируется к задней стенке корпуса. Если значение сопротивления все еще ненулевое, то с цепями материнской платы что-то глубоко не так и скорее всего ее придется менять.

Для интересующихся и желающих залезть глубже советую почитать данный документ:
ATX12V Power Supply Design Guide Version 2.2

Как одним движением сжечь 10000$ и получить удар током

Представим себе в сущности довольно-таки заурядную ситуацию: у вас сломался сетевой источник питания. Вы берете в руки мультиметр и измеряете напряжение на входе и выходе источника. На входе у вас честные 230 В переменного тока из розетки, а на выходе по нулям. Вы знаете, что ваш источник питания – импульсный, и вы в курсе про то, что транзисторами источника управляет ШИМ-контроллер, который очень легко идентифицируется на плате.
На столе у вас стоит новенький осциллограф Tektronix DPO 7254 или какой-нибудь LeCroy WavePro 7300A ценою более 10000$, и вы решаете посмотреть с его помощью сигналы ШИМ-контроллера, чтобы диагностировать его исправность или неисправность. На щупе осциллографа написано, что его максимально допустимое напряжение равно 1000 В, это с хорошим запасом больше напряжения в розетке. Непосредственно на самом осциллографе рядом с разъемами для подключения щупов написана цифра 400 V, кроме того, у вас щуп с делителем 1:100, что тоже вселяет уверенность, что все будет в порядке. Вы включаете осциллограф и пробуете подключить его щуп к плате источника питания, однако, как только вы касаетесь щупом осциллографа платы источника питания, проскакивает искра и раздается громкий ба-бах. Экран вашего новенького осциллографа безжизненно потухает, сам осциллограф не реагирует ни на какие кнопки, а комнату заполняет характерный запах сгоревшей электроники. Что же произошло? Почему сгорел осциллограф и как такого избежать? Обо всем этом читайте под катом.

Отказ от ответственности

В данной статье затрагиваются вопросы, касающиеся сетевого напряжения, которое может представлять угрозу жизни и здоровью человека, а также работоспособности приборов. Вся информация в этой статье представлена исключительно в ознакомительных целях. Вы используете указанную информацию на свой страх и риск. Автор ни в коем случае не несет ответственности за какой-либо прямой, непрямой, особый или иной косвенный ущерб в результате любого использования информации из данной статьи.

Структура источника питания

В данном разделе, конечно, мы не будем подробно рассматривать устройство импульсных преобразователей, это тема для целой серии статей. Мы рассмотрим этот вопрос в минимальном объеме, необходимом для понимания темы статьи. Итак, на рисунке ниже приведена по сути структурная схема простейшего обратноходового преобразователя. Обратноходовый преобразователь здесь выбран исключительно для примера, совершенно не важно, какая топология источника питания (прямоходовый, мост, полумост, пуш-пул или вообще балластный конденсатор), все сказанное верно для любой из них.

В ней не показаны фильтры синфазных и дифференциальных помех, цепи защиты и некоторые другие компоненты, однако для рассмотрения нашего вопроса это и не нужно. На схеме мы видим диодный мост, к которому подводится сетевое напряжение, микросхему ШИМ-контроллера, объединенную с силовым транзистором, трансформатор и цепь обратной связи. Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом: плюс подводится к трансформатору и коммутируется силовым транзистором, а минус образует потенциал локальной (силовой) земли. Относительного этого потенциала питается ШИМ-контроллер, измеряется напряжение обратной связи, а также относительно него подаются управляющие напряжения на затворы силового транзистора (который в данной схеме находится внутри контроллера). Если мы хотим измерить какое-то напряжение на первичной стороне, это тоже надо делать относительного этого потенциала. В общем, классический такой GND, за исключение одного нюанса: он гальванически не развязан от сети (имеет прямую связь с фазой и нейтралью через пару диодов). И вот именно этот нюанс и является решающим, однако об этом позднее.

Структура осциллографа

В данном разделе будет рассмотрен вопрос, касающейся гальванической связи как между непосредственно самими каналами осциллографа, так и между каналами осциллографа и линией заземления. Существует два типа осциллографов: с изолированными каналами и без такой изоляции. Осциллографы с изолированными каналами – довольно редкий вид приборов, и этот факт будет обязательно подчеркнут в описании устройства. Если вы никогда не задумывались о том, есть ли у вашего осциллографа такая изоляция, то, скорее всего, ее нет. Что это значит на практике? Это значит, что сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным выводом в сетевой розетке 230 В близко к нулю. Для лучшего понимания, этот факт продемонстрирован на рисунке ниже.

На данном рисунке показано измерение сопротивление между земляным хвостом щупа осциллографа и земляным контактом шнура питания осицллографа. Как видим, величина сопротивления очень мала и составляет всего 2,18 Ома. В реальности она еще меньше, потому что здесь не учитывалось сопротивление самих щупов мультиметра, которое может быть более 1 Ома.

Итак, сделаем важный вывод: у осциллографа земляной хвост щупа соединен с земляным контактом розетки и через нее заземлен в электрическом щитке.

Структура бытовой сети 230 В

Наиболее полное описание структуры сети 230 В, конечно, лучше найти в какой-нибудь литературе по теории электрических цепей, прочитав раздел про трехфазные цепи. В рамках данной статьи будет представлена только очень маленькая часть этого курса, имеющая непосредственное отношение к нашей проблеме.

В обычную бытовую розетку приходит как правило 3 провода: фаза, нейтраль и заземление. В старых домах советской постройки третьего провода (заземления) может и не быть. Провод заземления в общем-то соответствует своему названию: в конечном итоге он переходит в шину (контур заземления), которая закапывается глубоко в землю где-нибудь под зданием или в непосредственной близости от него (разумеется, не просто абы как, а в соответствии с определенными правилами). Этот провод предназначен для защиты человека от возможного поражения электрическим током: в случае нештатной ситуации, например, попадания напряжения на корпус прибора, ток начинает идти по проводу заземления, что приводит к срабатыванию защитной автоматики и отключению напряжения.

Нейтраль по сути своей очень близка к заземлению. Если вы внимательно рассмотрите линию электропередач в сельской местности, то заметите, что нейтральный проводник заземляется на каждой опоре.

Кроме того, нейтральный проводник заземлен также и на подстанции (здесь есть свои нюансы, но в быту обычно это так, схемы с изолированной нейтралью мы не рассматриваем).

В идеальном мире сопротивление между проводом заземления и нейтралью в розетке равно нулю, и они имеют абсолютно одинаковый потенциал. В реальном мире сопротивление проводников вносит свои коррективы и между нейтралью и заземлением имеется сопротивление порядка единиц-десятков Ом. Запомним этот факт, он пригодится нам в дальнейшем.

Фазный проводник – это непосредственно сам «рабочий» проводник, который формирует синусоиду относительно нейтрали. Синусоида в бытовой розетке имеет амплитуду порядка 325 В и колеблется в плюс и в минус относительно нейтрального проводника. Таким образом, при положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне наоборот – ток течет из нейтрального проводника в фазный.

Что происходит при подключении осциллографа?

Итак, сведем в кучку выводы по предыдущим разделам статьи:

1. В сетевом импульсном источнике питания цепь локальной (силовой) земли связана с нейтралью и фазой через диоды.
2. У осциллографа земляной хвост щупа соединен внутри него с земляным контактом розетки.
3. Сопротивление между нейтралью и заземлением в сети мало и составляет единицы-десятки Ом.
4. При положительной полуволне синусоиды ток течет из фазного проводника в нейтральный, а при отрицательной полуволне – из нейтрального в фазный.

Для начала давайте посмотрим, как ведет себя схема без подключенного осциллографа. На рисунке ниже приведены результаты моделирования такой схемы (картинка кликабельна).

Сопротивление R1 в данном случае – это сопротивление нагрузки. Я выбрал его равным 100 кОм. Можно взять любое другое, в данном случае его величина не принципиальна. Сопротивление R2 – это сопротивление между нейтральным и проводником и заземлением. Я выбрал его равным 10 Ом. Амплитудное напряжение между фазой и нейтралью составляет 325 В, что соответствует действующему значению напряжения в 230 В, сигнал показан на зеленом графике.

Как видно из графиков тока, он нигде не превышает величины нескольких миллиампер и вся система чувствует себя хорошо.

А что будет, если подключить к такой цепи осциллограф? Результат показан на рисунке ниже (картинка кликабельна).

Как видим, в модель добавился резистор R3 с сопротивлением 2 Ома. Этот резистор соответствует сопротивлению между земляным хвостом щупа осциллографа и контактом заземления шнура питания осциллографа. Чуть выше мы проводили измерение этого параметра и получили величину равную порядка 2 Ом. Этот резистор подключен к локальной силовой земле PGND: именно к этой цепи вы скорее всего и подключите землю осциллографа, если захотите произвести измерения на первичной стороне источника питания. Но как же ведет себя при этом ток? А он вырастает до катастрофических величин. Величина тока в нашей модели составляет более 25 А! В данном случае ток ограничен величиной сопротивления между нейтралью и заземлением, внутренним сопротивлением диодного моста, а также величиной сопротивления всех проводов. И этот ток протекает, помимо всего прочего, через резистор R3, т.е. через щуп осциллографа и через его внутренние цепи. 25 А через внутренние цепи осциллографа гарантированно выжгут внутри все, что возможно, не факт даже, что уцелеет сама печатная плата. Таким образом, данная картинка весьма наглядно показывает, что будет с прибором, если вот так просто попытаться измерить сигналы на не отвязанном от сети источнике.

Если чуть проанализировать результаты выше, то становится понятным, что смертельным для осциллографа оказывается отрицательная полуволна синусоиды в розетке. Отрицательная полуволна создает в точке между диодами D1 и D3 отрицательный потенциал. К точке PGND оказывается приложен нулевой потенциал (GND) через хвост щупа осциллографа, который соединен внутри него с землей розетки. Таким образом, у нас образуется разность потенциалов, причем диод D1 оказывается включенным в прямой полярности, что и приводит к резкому росту тока. Все вышесказанное наглядно проиллюстрировано на рисунке ниже.

А как же УЗО?

Действительно, при подключении земляного хвоста осциллографа к локальной (силовой) земле на стороне сетевого напряжения возникает дисбаланс токов и это должно отрабатываться УЗО. Возможно, оно и спасет цепи осциллографа от полного выгорания, однако, увы, УЗО срабатывает отнюдь не мгновенно, время его реакции составляет десятки миллисекунд. За это время вполне успеет проскочить хотя бы одна полуволна синусоиды сетевого напряжения, которая если не выжжет прибор совсем, скорее всего, все равно повредит чувствительные входные цепи осциллографа. Кроме того, в электрическом щитке УЗО присутствует далеко не всегда. Поэтому, не смотря на то, что УЗО, безусловно, полезный компонент электропроводки, в данном случае неразумно полагаться на защиту прибора с его помощью. Но как же быть, если все-таки необходимо посмотреть какие-то сигналы у прибора, работающего от сети 230 В? На самом деле, есть несколько способов, как это можно сделать относительно безопасно, об этом в следующем разделе

Как посмотреть сигналы на стороне сетевого напряжения и не спалить приборы?

1. Использовать осциллограф с гальванически развязанными каналами

У осциллографа с гальванически развязанными каналами все каналы имеют изоляцию как друг относительно друга, так и относительно земли. Таким образом, при подключении прибора к схеме, у нас не будет образовано контура, через который может произойти короткое замыкание и выгорание схемы. Однако будьте все равно предельно внимательны, даже если у вас осциллограф с развязанными каналами. Внимательно изучите документацию на свой прибор и обратите внимание на конкретные цифры по максимально допустимому напряжению относительно земли. Если вы будете анализировать сигналы на стороне сетевого напряжения, то, скорее всего, вам понадобятся специальные высоковольтные щупы, которые позволяют проводить измерения под большим потенциалом. Использование осциллографа с развязанными каналами имеет один большой недостаток – цена. Такие осциллографы заметно дороже осциллографов с аналогичными характеристиками, земли каналов которых соединены на общем шасси. Кроме того, модельный ряд таких осциллографов довольно-таки скудный, по сравнению с классическими осциллографами, конечно же. В общем, если у вас есть осциллограф с изолированными каналами и вы умеете с ним работать, скорее всего, вы мало что нового узнали из этой статьи.

2. Использовать дифференциальный пробник

Если у вас нет осциллографа с гальванически развязанными каналами, но есть обычный, то можно развязать какой-либо его канал с использованием специального устройства, которое называется дифференциальный пробник. Пример такого устройства приведен на рисунке ниже.

С помощью данного устройства возможно относительно безопасно смотреть сигналы на стороне сетевого напряжения. Существует достаточно большое число видов подобных устройств на разные входные напряжения и частот с разными коэффициентами деления входного напряжения. Как правило это активные устройства, требующие дополнительного питания, например, устройство с рисунка выше требует адаптер 9 В. Цена подобных устройств обычно тоже не очень демократична и составляет десятки, а иногда и сотни тысяч рублей (по курсу на момент написания статьи).

3. Использовать развязывающий трансформатор

Вполне рабочий способ защитить осциллограф и посмотреть при этом сигналы на стороне сетевого напряжения – использование развязывающего трансформатора с коэффициентом трансформации 1:1 (т.е. величина напряжения на выходе трансформатора равна величине напряжения на его входе). Через такой трансформатор необходимо подключить объект исследования (например, все тот же анализируемый нами источник питания). Поясняющий рисунок с результатами моделирования приведен ниже (картинка кликабельна).

Как видим, не смотря на то, что к схеме точно таким же образом подключен заземленный хвост щупа осциллографа, на графиках тока нет никаких запредельных величин. Ток через внутренности осциллографа (через сопротивление R3) равен нулю, а амплитуда тока источника питания и нагрузки составляет несколько миллиампер, как было у нас при не подключенном осциллографе. Это происходит потому, что теперь у нас земля PGND гальванически развязана от сетевого напряжения. Однако это вовсе не значит, что теперь все безопасно для человека: на выходе трансформатора по-прежнему 230 В действующего напряжения, которые могут представлять смертельную опасность.

При использовании развязывающего трансформатора помимо коэффициента трансформации необходимо также обязательно посмотреть на такой параметр, как максимально допустимая мощность. Очевидно, что потребляемая вашей нагрузкой мощность не должна превышать максимально допустимую мощность, на которую рассчитан трансформатор. Таким образом, этот способ вряд ли подойдет для анализа установок на несколько киловатт: габариты и масса требуемого трансформатора будут слишком велики.

4. Использовать лабораторный источник питания

Если ваш объект исследования – импульсный источник питания, то безопасно посмотреть его первичные цепи можно запитав его не от сети 230 В, а через лабораторный источник питания постоянного тока. Внутри такого источника питания всегда стоит трансформатор, таким образом достигается гальваническая развязка, и осциллограф можно безбоязненно подключать к анализируемой схеме. Поскольку на входе импульсного источника питания стоит выпрямитель, то для его работы нет большой разницы, подадите вы на вход синусоиду или же постоянное напряжение. Разумеется, величина этого постоянного напряжения должна соответствовать выпрямленному сетевому напряжению с каким-либо допуском. На прошлой работе в качестве такого источника питания мы использовали источник Б5-50, он изображен на рисунке ниже.

Он выглядит не очень современно, однако умеет выдавать на выходе напряжение до 300 В и неплохо подходит для отладки схем мощностью до пары сотен ватт.

Дополнительный очень жирный плюс использования лабораторного источника питания при отладке – вы можете выставить на источнике питания необходимое ограничение по току. Таким образом, даже если схема неисправна, у вас не будет громкого ба-баха и с большой долей вероятности ничего не сгорит. Такой подход несравнимо лучше всем известного включения схемы через лампочку накаливания. Единственное о чем стоит помнить – мощность лабораторного источника питания должна быть достаточной для организации питания исследуемой схемы.

5. Использовать розетку без заземления

Внимание! Данный способ относится к категории опасных, поэтому я не могу рекомендовать использовать его. Однако все-таки для полноты картины я должен про него рассказать, хотя бы для того, чтобы сообщить о возможных опасностях. Более того, бывает, что зачастую он оказывается единственным возможным способом посмотреть сигнал на стороне сетевого напряжения без привлечения какого-либо специального оборудования типа развязывающего трансформатора или осциллографа с изолированными каналами. Данный способ заключается в том, что осциллограф включается в розетку без клеммы заземления (см. рисунок ниже).

Таким образом разрушается контур протекания тока, однако это приводит к одной большой проблеме. Теперь земля осциллографа оказывается под смертельно опасным потенциалом. Это значит, что опасное для жизни напряжение будет присутствовать на всех BNC-разъемах осциллографа, на земляных хвостах всех подключенных щупов, а также, возможно, и на корпусах всех других приборов, включенных в ту же розетку (в случае, если в розетке все же есть контакты заземления, но к ней не подведен заземляющий провод). И если теперь одной рукой просто задеть коаксиальный разъем на корпусе осциллографа, а другой при этом, условно, схватиться за батарею… в общем, вы понимаете. Совершенно недопустимо использовать этот способ, если у вас осциллограф в металлическом корпусе. Если все-таки используете этот способ, то отключите все лишние щупы, а также другие провода (USB, RS-232 и др.), убедитесь, что в розетку включен только один осциллограф, выполните все подключения, настройте заранее все крутилки на осциллографе, убедитесь, что не заденете случайно BNC разъемы и только потом подавайте сетевое напряжение.

Тем не менее, при соблюдении всех мер предосторожностей, этот способ в целом рабочий. Под спойлером ниже приведена осциллограмма напряжения из розетки, снятая мной еще в студенческие годы как раз с использованием этого самого способа. Поскольку сетевое напряжение имеет размах, превышающий количество клеток на экране осицллографа, измерение происходило через резистивный делитель напряжения 1:5.

Напряжение в розетке

6. Использовать осциллограф с питанием от аккумуляторной батареи

Некоторые осциллографы могут работать от встроенных аккумуляторных батарей. Сетевой шнур при этом не подключается, соответственно, осциллограф оказывается не заземленным. По сути этот способ является полным аналогом предыдущего, только вместо розетки без заземления используется питание осциллографа от встроенной батареи. Этот способ абсолютно точно также опасен, как и предыдущий: на всех разъемах осциллографа будет присутствовать все тот же смертельно опасный потенциал, поэтому все меры безопасности, описанные в предыдущем пункте статьи, в равной степени справедливы и для этого способа.

7. Запитать управляющие микросхемы низким напряжением от лабораторного источника

Иногда бывают ситуации, когда для отладки не обязательно наличие высокого сетевого напряжения. В таком случае лучше просто запитать управляющие цепи с помощью низковольного лабораторного источника питания. Величина требуемого напряжения всегда прописана в документации на конкретные микросхемы (например, в случае исследования ШИМ-контроллера оно обычно не превышает 20 В). Сетевое напряжение 230 В при этом, само собой, не подается, поэтому можно абсолютно безопасно исследовать осциллографом импульсы на выходе контроллера, работу осциллятора, величину опорных напряжений и другие критические сигналы. Конечно, без наличия сетевого напряжения все проверить не получиться, но откровенно мертвый контроллер без проблем можно продиагностировать.

Общие рекомендации по работе с сетевым напряжением

1. При работе с сетевым напряжением всегда соблюдайте технику безопасности

Да, сто раз про это везде уже писали, но, тем не менее, почему-то часто то, как делать не надо, выясняется только на своей шкуре своем опыте. Не стоит лезть в приборы под напряжением во время работы, лучше выполните все подключения до включения питания. Не забывайте про накопительные конденсаторы: на их разряд нужно некоторое время, которое может стремиться к бесконечности (условно, конечно же), если разработчик не поставил разрядных резисторов.

2. Изучите инструкцию на ваш прибор

Конечно, жизнь слишком коротка, чтобы читать инструкции, поэтому их обычно открывают только когда что-то не работает или сломано. Но если вы работаете с сетевым напряжением, все-таки стоит заранее посмотреть, а какие, собственно, предельные цифры у вашего прибора. Небрежность в этом вопросе может стоить очень дорого.

3. Используйте недорогие приборы

Если вы исследуете сетевое напряжение, то отложите в сторону ваш крутой Tectronix DPO 7254 ценою в несколько миллионов и возьмите какой-нибудь Наntек DSO 5102 за пару десятков тысяч рублей. На стороне сетевого напряжения вам не нужны гигасемплы и крутая математика, зато если что-то пойдет не так, ошибка не будет стоить настолько дорого.

4. По возможности всегда работайте с гальванической развязкой от сети

Из-за несоблюдения этого правила в этом мире погорело уже куча электроники. В моей практике был случай, который стоил мне ноутбука и JTAG-отладчика. Я проводил отладку одного устройства и вроде бы ничего не предвещало беды. Устройство имело металлический корпус и на корпусе была установлена неоновая лампочка, которая светилась от сети 230 В. Корпус, естественно, был заземлен. Сама плата с микроконтроллером была запитана от отдельного изолированного источника питания. И в один прекрасный момент эта лампочка пробилась на корпус устройства. В этот момент к плате был подключен JTAG-отладчик, который был воткнут в ноутбук. Ноутбук же в свою очередь был включен в розетку с заземлением. Таким образом, ток пошел по цепочке «неоновая лампочка – корпус – плата – JTAG-отладчик – ноутбук – источник питания ноутбука – заземление». Разумеется, ноутбук и программатор при этом выгорели без возможности восстановления. Этого можно было бы избежать, если бы применялся JTAG-отладчик с гальванической развязкой. Ну и использовать топовый MacBook Pro в качестве рабочей машины при отладке силовой электроники, конечно же, тоже не стоит (см. предыдущий пункт).

Заключение

Описанные в статье вещи могут показаться простыми, очевидными и лежащими на поверхности. Тем не менее, к сожалению, мне лично не раз доводилось наблюдать сгоревшие по обозначенной причине осциллографы, причем не у зеленых джунов, а у разработчиков, которые не первый год в индустрии. Если эта статья позволит уберечь от этого хотя бы один осциллограф, то я уже буду считать, что написал ее не зря.

• источники питания
• осциллограф
• гальваническая развязка
• сеть 230 В

• Схемотехника
• Производство и разработка электроники
• DIY или Сделай сам
• Электроника для начинающих
• Инженерные системы

О проверке импульсных цепей питания с помощью осциллографа

Для питания современной вычислительной техники в основном используют питающие напряжения +12, +5, +3.3 вольта (постоянный ток), формирующиеся блоком питания. Электронные компоненты, установленные на видеокартах, материнских платах часто требуют других номиналов питающих напряжений. Чаще всего вольтаж, необходимый для их работы, формируется путем понижения питающего напряжения до нужного значения.

При питании маломощных компонентов нет необходимости обеспечивать высокую эффективность работы схем преобразования входного питающего напряжения, так как потери мощности достаточно мизерные. В связи с этим маломощные узлы (например, микросхема флеш-памяти Bios) запитываются с помощью цепей прямо (линейно) преобразующих питающее напряжение до нужного номинала.

При питании мощных электронных компонентов, таких как процессор (видеоядро) и оперативная память, необходимо обеспечить высокую мощность от источника питания. Если величина потерь будет высокой (при низком КПД цепей питания), то будет происходит излишний нагрев устройства, а также расходоваться лишние средства на оплату электроэнергии.

Для обеспечения высокой эффективности работы питающих цепей большой мощности используются схемы, работающие в импульсном режиме. Это делается для сохранения компактных размеров устройств и увеличения КПД.

Пример использования ШИМ-преобразования напряжения в импульсном блоке питания:

В статье Как работает VRM материнских плат рассматривались некоторые особенности работы фаз питания, использующихся в современной вычислительной технике. В данной статье динамические процессы, происходящие в фазе питания, рассматриваются с другой точки зрения. Эти знания помогут не только при ремонте неисправных устройств, но и помогут осуществлять более осмысленную эксплуатацию компьютерной техники.

О работе фаз питания, работающих в импульсном режиме

В импульсных цепях фаз питания напряжение от блока питания используется не постоянно, а периодически, с помощью коммутации ключевыми транзисторами:

Благодаря этому на нагрузке появляется не все питающее напряжение, а лишь его часть. Это позволяет понижать вольтаж до нужного значения при сохранении достаточно высокого КПД.

При работе большинства импульсных цепей питания используются коммутационные ключи на мощных полевых транзисторах, управляемые микросхемой, формирующей управляющие импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), длительность которых меняется в зависимости от напряжения на выходе.

Чем больший вольтаж нужно получить на выходе — тем дольше должны быть открыты ключевые транзисторы, соответственно должен дольше длиться управляющий импульс:

Чем большая частота используется при работе, тем больше энергии накапливается в катушке индуктивности, что позволяет значительно уменьшить ее размеры. Слишком сильному увеличению частоты препятствует значительное увеличение реактивного сопротивления проводников на высоких частотах и другие сложности, присущие ВЧ-технике.

Сбалансированная работа схем импульсного преобразования требует использования ключевых транзисторов с наименьшим внутренним сопротивлением в момент рабочего цикла, задействования сглаживающих, фильтрующих (блокировочных) конденсаторов, использования цепей обратной связи и ряда других узлов/компонентов.

Уменьшение пульсаций (Ripple) осуществляется с помощью электролитических накопительных конденсаторов, а ВЧ-шумов (Noise) — с помощью блокировочных:

Использование некачественных электронных элементов, огрехи при сборке, перегрев, старение электронных компонентов иногда приводят к выходу из строя фаз питания. Так как через них проходят большие токи, то последствия от их выхода из строя могут привести к возгоранию, а также повлечь за собой другие компоненты, включая дорогостоящие процессор/память.

При поиске неисправностей фаз питания нужно понимать пути прохождения тока через их ключевые транзисторы, а также его величину. Полную картину процессов, происходящих в фазах питания невозможно получить без осциллографа.

Проверка напряжения и тока на выходе импульсного источника питания на наличие пульсаций и шума с помощью двухканального осциллографа:

При изучении конкретной схемы нужно понимать, как проходят токи, напряжения и управляющий сигнал на фазе питания.

Как проходят токи через транзисторы верхнего и нижнего плеча фаз питания?

Фаза питания импульсных источников питания работает в два цикла, при которых ток проходит поочередно через транзистор(-ы) верхнего и нижнего плеча.

Упрощенная схема фазы питания с двумя полевыми транзисторами:

При открытом верхнем ключе (первый цикл работы, ключевой транзистор нижнего плеча при этом закрыт) ток проходит по цепи: плюсовой вывод источника питания (в данном случае +12 вольт) — транзистор верхнего ключа T1 — катушка индуктивности L — нагрузка Rн — общий провод (минус от источника питания).

На протяжении второго цикла работы открывается нижний ключевой транзистор T2 (верхний закрывается), а ток проходит по цепи: накопительная катушка индуктивности L — нагрузка Rн — транзистор нижнего ключа T2 — катушка индуктивности L.

Во время второго цикла работы источником энергии является дроссель (катушка индуктивности L), отдающий электричество, накопленное во время первого цикла.

Сглаживание пульсаций на выходе фазы питания происходит за счет накопления электрической энергии в LC-элементах (конденсатор С на схеме выше).

Визуализация прохождения тока в динамике есть в ролике Ток через нижнее и верхнее плечо шим контроллера на Youtube.

Для согласования работы различных электронных элементов, обеспечения стабильности выходного напряжения, защиты, контроля и управления используются дополнительные компоненты.

Как правило, в фазах питания видеокарт и материнских плат используется по два мощных транзистора нижнего плеча и один — в верхнем плече. Это связано с тем, что ток, проходящий во время первого цикла работы значительно больше, чем при работе от накопительного дросселя. В связи с этим обычно используются более мощные транзисторы нижнего плеча, обычно работающие параллельно, что увеличивает допустимый рабочий ток и снижает сопротивление сток-исток (Rds) во время рабочего цикла (в открытом состоянии).

Транзисторы верхнего ключа пропускают меньший ток, но должны работать с большей частотой. Поэтому для них более важна скорость открытия td(on) и закрытия td(off), чем допустимый ток.

Проверка работоспособности транзисторов фаз питания рассматривается в статьях О проверке полевых транзисторов импульсных цепей питания, а также Устранение проблем с запуском материнской платы. Для проверки работы фаз питания в динамике нужно использовать осциллограф.

Проверка напряжений и токов в цепи с помощью осциллографа

Проверка бросков (пускового) тока (inrush current) осциллографом может осуществляться на токовом резисторе (шунте) и с помощью токового щупа.

Изучение формы тока в цепи с помощью токового шунта:

Для проверки сдвига фаз между током и напряжением в электрической цепи нужно использовать двухканальный осциллограф.

Пример проверки работы транзистора фазы питания с помощью двухканального осциллографа:

На приведенной выше схеме производится одновременное измерение формы напряжения и тока на выходе полевого транзистора. Для изучения напряжения минус щупа (Diff Probe) подключается непосредственно к истоку (source), а плюс — к стоку (drain) ключевого MOSFET-транзистора. Щуп Current Probe (токовые клещи) второго канала показывает форму пульсирующего (перменного) тока в цепи.

Для справки: Токовый щуп (Current Probe) используется для изучения тока в цепи без оказания на нее влияния. Такой щуп не требует электрического подключения к изучаемой цепи. Самый простой токовый щуп представляет собой токовый трансформатор: Такой трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Для измерения постоянного и переменного тока в приведенную выше схему добавляют датчик Холла, катушку Роговски, сенсоры AC zero-flux или другие элементы. 

Токовый щуп CP-02B, продающийся на AliExpress (предел измерений — ток до 10 А, частота — до 10 МГц ):  Для использования токового трансформатора нужно чтобы проводник проходил через его катушку индуктивности. Подключение проводника исследуемой цепи к токовому трансформатору и осциллографу:  

Кроме токового щупа изучить форму тока в цепи можно путем подключения второго канала осциллографа к токовому резистору Rт (шунту) в составе исследуемой цепи:

Для исследования сдвига фаз между током и напряжением на двухканальном осциллографе с использованием токового резистора используют следующую схему подключения:

В приведенной выше схеме первый канал измеряет напряжение на выходе источника питания, а второй — напряжение на токовом резисторе (сигнал на нем при изучении сдвига фаз нужно инвертировать из-за встречного включения относительно первого канала). Синхронизация прибора в данном случае осуществляется от первого канала, так как вольтаж U Rт значительно меньше напряжения на первом канале, что ухудшило бы условия работы прибора при использовании второго канала для синхронизации.

Чем больше сопротивление токового резистора, тем большее на нем падение напряжения. Таким образом, в цепях с невысоким вольтажом можно использовать резисторы высокого сопротивления, что обеспечит лучшую чувствительность при проведении измерений.

При проверке обязательно нужно обеспечить гальваническую развязку систем питания осциллографа и проверяемого устройства. Кроме того, при использовании двухканального осциллографа нужно исключить ситуации, когда в исследуемую схему щупами осциллографа (например, общим проводом разных каналов) вносятся изменения.

Правильное и неправильное подключение двухканального осциллографа (масса обеих каналов должна быть подключена к одной общей точке):

Проверка формы напряжения, которое формируется на выходе источника питания с помощью осциллографа:

Проверка работы ШИМ-контроллера

При проверке работы микросхемы ШИМ в первую очередь нужно проверить ее выходное сопротивление (между контактами GND и OUT) — как правило, оно должно быть очень большим, близким к бесконечности (при этом на измерения не должны оказывать влияние окружающие элементы). Если при исправном ключевом полевом транзисторе на выходе ШИМ-контроллера (не выпаянного из платы) малое сопротивление (ниже одного килоОма) — то микросхема пробита.

При выходе из строя силовых транзисторов, нужно проверять исправность не только микросхемы ШИМ-контроллера, но и ее обвязку, так как элементы выходных цепей часто оказываются неисправными при пробоях MOSFET-ов.

Правильно работающий ШИМ-контроллер при импульсном преобразовании напряжения должен формировать сигнал управления, имеющий одинаковую периодически изменяющуюся форму. Этот сигнал через драйверы попеременно открывает и закрывает ключевые полевые транзисторы верхнего и нижнего плеча каждой фазы питания. Обычный мультиметр не может корректно отображать сигнал на ШИМ-контроллере, так как он имеет слишком высокую частоту. Поэтому для изучения сигнала, формируемого ШИМ-контроллером нужно использовать осциллограф, который фактически является вольтметром с продвинутыми функциями.

При проверке ШИМ-контроллера можно использовать следующую последовательность действий:

• подать на ШИМ-микросхему проверяемого устройства от внешнего источника питания (лабораторного блока питания) необходимое ей питающее напряжение с ограничением тока;
• проверить референсное напряжение на выводе VREF, оно должно соответствовать номиналу (согласно даташиту);
• проверить стабильность референсного напряжения при изменениях питающего напряжения от лабораторного источника питания в пределах, соответствующих Datasheet;
• осциллографом проверить сигнал на выходе частотозадающей цепи ШИМ-контроллера, которое должно оставаться в пределах нормы даже при изменениях питающего напряжения в заданных пределах;
• проверить на осциллографе импульсы, идущие на ключевой транзистор фаз питания с выхода PWM-контроллера.

Вам также может понравиться

Ошибка температуры видеокарты 511C и как с ней бороться

8 октября, 2023

Работа Осциллографом в Первичной цепи БП

Добрый день, тема может поднималась уже — не нашёл.
Собственно вопрос, как вы снимает Осциллограммы в Первичной цепи Блоков Питания при их ремонте.
Много где пишут что Обязательно использовать Разделительный Трансформатор , приводят схемы, картинки и т.д.
Но ведь по моему Блок питания самого Осцилла Гальванически Развязан с Бытовой Сетью (~220v)
Главное не использовать Заземление (третий контакт в розетке).
Я пока не проверял лично, что скажете — кто как использует?

P.S. Смотрел обучающее видео для Автодиагностов,
там напрямую подключили щуп Осцила в Розетку и Продемонстрировали Осциллограмму 50Hz

Забанен

• 4 Дек 2016

DEVILL, В импульсных блоках питания осциллографов и ремонтируемой техники применяются оптроны для развязки управления!
А их напряжение пробоя редко доходит до 1000в!
Так,что всегда имеется большущий шанс пробоя между горячей и холодной сторонами осциллографа!

Информация Неисправность Прошивки Схемы Справочники Маркировка Корпуса Сокращения и аббревиатуры Частые вопросы Полезные ссылки

Справочная информация

Этот блок для тех, кто впервые попал на страницы нашего сайта. В форуме рассмотрены различные вопросы возникающие при ремонте бытовой и промышленной аппаратуры. Всю предоставленную информацию можно разбить на несколько пунктов:

• Диагностика
• Определение неисправности
• Выбор метода ремонта
• Поиск запчастей
• Устранение дефекта
• Настройка

Неисправности

Все неисправности по их проявлению можно разделить на два вида — стабильные и периодические. Наиболее часто рассматриваются следующие:

• не включается
• не корректно работает какой-то узел (блок)
• периодически (иногда) что-то происходит

О прошивках

Большинство современной аппаратуры представляет из себя подобие программно-аппаратного комплекса. То есть, основной процессор управляет другими устройствами по программе, которая может находиться как в самом чипе процессора, так и в отдельных микросхемах памяти.

На сайте существуют разделы с прошивками (дампами памяти) для микросхем, либо для обновления ПО через интерфейсы типа USB.

• Прошивки ТВ (упорядоченные)
• Запросы прошивок для ТВ
• Прошивки для мониторов
• Запросы разных прошивок
• . и другие разделы

Схемы аппаратуры

Начинающие ремонтники часто ищут принципиальные схемы, схемы соединений, пользовательские и сервисные инструкции. Это могут быть как отдельные платы (блоки питания, основные платы, панели), так и полные Service Manual-ы. На сайте они размещены в специально отведенных разделах и доступны к скачиванию гостям, либо после создания аккаунта:

• Схемы телевизоров (запросы)
• Схемы телевизоров (хранилище)
• Схемы мониторов (запросы)
• Различные схемы (запросы)

Справочники

На сайте Вы можете скачать справочную литературу по электронным компонентам (справочники, таблицу аналогов, SMD-кодировку элементов, и тд.).

• Справочник по транзисторам
• ТДКС — распиновка, ремонт, прочее
• Справочники по микросхемам
• . и другие .

Marking (маркировка) — обозначение на электронных компонентах

Современная элементная база стремится к миниатюрным размерам. Места на корпусе для нанесения маркировки не хватает. Поэтому, производители их маркируют СМД-кодами.

• Справочники по SMD компонентам
• Опознать элемент в телевизоре (вопросы)
• Справочники по SMD кодам компонентов
• Маркировка SMD транзисторов от PHILIPS

Package (корпус) — вид корпуса электронного компонента

При создании запросов в определении точного названия (партномера) компонента, необходимо указывать не только его маркировку, но и тип корпуса. Наиболее распостранены:

• DIP (Dual In Package) – корпус с двухрядным расположением контактов для монтажа в отверстия
• SOT-89 — пластковый корпус для поверхностного монтажа
• SOT-23 — миниатюрный пластиковый корпус для поверхностного монтажа
• TO-220 — тип корпуса для монтажа (пайки) в отверстия
• SOP (SOIC, SO) — миниатюрные корпуса для поверхностного монтажа (SMD)
• TSOP (Thin Small Outline Package) – тонкий корпус с уменьшенным расстоянием между выводами
• BGA (Ball Grid Array) — корпус для монтажа выводов на шарики из припоя

Краткие сокращения

При подаче информации, на форуме принято использование сокращений и аббревиатур, например:

Сокращение	Краткое описание
LED	Light Emitting Diode — Светодиод (Светоизлучающий диод)
MOSFET	Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor — Полевой транзистор с МОП структурой затвора
EEPROM	Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory — Электрически стираемая память
eMMC	embedded Multimedia Memory Card — Встроенная мультимедийная карта памяти
LCD	Liquid Crystal Display — Жидкокристаллический дисплей (экран)
SCL	Serial Clock — Шина интерфейса I2C для передачи тактового сигнала
SDA	Serial Data — Шина интерфейса I2C для обмена данными
ICSP	In-Circuit Serial Programming – Протокол для внутрисхемного последовательного программирования
IIC, I2C	Inter-Integrated Circuit — Двухпроводный интерфейс обмена данными между микросхемами
PCB	Printed Circuit Board — Печатная плата
PWM	Pulse Width Modulation — Широтно-импульсная модуляция
SPI	Serial Peripheral Interface Protocol — Протокол последовательного периферийного интерфейса
USB	Universal Serial Bus — Универсальная последовательная шина
DMA	Direct Memory Access — Модуль для считывания и записи RAM без задействования процессора
AC	Alternating Current — Переменный ток
DC	Direct Current — Постоянный ток
FM	Frequency Modulation — Частотная модуляция (ЧМ)
AFC	Automatic Frequency Control — Автоматическое управление частотой

Частые вопросы

Как мне дополнить свой вопрос по теме Работа Осциллографом в Первичной цепи БП? После регистрации аккаунта на сайте Вы сможете опубликовать свой вопрос или отвечать в существующих темах. Участие абсолютно бесплатное.

Кто отвечает в форуме на вопросы ? Ответ в тему Работа Осциллографом в Первичной цепи БП как и все другие советы публикуются всем сообществом. Большинство участников это профессиональные мастера по ремонту и специалисты в области электроники.

Как найти нужную информацию по форуму ? Возможность поиска по всему сайту и файловому архиву появится после регистрации. В верхнем правом углу будет отображаться форма поиска по сайту.

По каким еще маркам можно спросить ? По любым. Наиболее частые ответы по популярным брэндам — LG, Samsung, Philips, Toshiba, Sony, Panasonic, Xiaomi, Sharp, JVC, DEXP, TCL, Hisense, и многие другие в том числе китайские модели.

Какие еще файлы я смогу здесь скачать ? При активном участии в форуме Вам будут доступны дополнительные файлы и разделы, которые не отображаются гостям — схемы, прошивки, справочники, методы и секреты ремонта, типовые неисправности, сервисная информация.

Полезные ссылки

Здесь просто полезные ссылки для мастеров. Ссылки периодически обновляемые, в зависимости от востребованности тем.

• Блок питания RIDEN RD606 и другие
• Программатор Postal — сборка, настройка
• Жесткие диски (HDD). Ссылки, софт, рекомендации по ремонту
• Расшифровка сигналов БИОС
• Сервис Центры по ремонту ноутбуков
• Замена МИКРОСХЕМ — аналоги, доработки
• Книги, журналы, справочная литература в сети
• ВАРИСТОРЫ, ПРЕДОХРАНИТЕЛИ применение, справочные данные
• Фотоприемники, оптопары
• ПАЙКА — технология, советы, секреты