В этой статье мы заглянем под заливочный компаунд стабилизированному высоковольтному преобразователю напряжения производства Traco Power. Данный прибор из напряжения 12 В вырабатывает отрицательное высокое напряжение в диапазоне от 0 до 2000 В при токе до 1 мА, которое задается внешним резистивным делителем или управляющим напряжением. Выходное напряжение хорошо стабилизировано (декларируется нестабильность в 0,03% при изменении нагрузки или питающего напряжения во всем допустимом диапазоне). Подобные модули — наиболее легкий способ обеспечить стабильным высоковольтным питанием ФЭУ (например, сцинтилляционного детектора радиоактивных излучений), но к сожалению, они слишком дороги (текущая цена, по которой подобный модуль можно приобрести у российских поставщиков элементной базы — около 40 000 руб). Мне такой преобразователь попал в руки неисправным — так что давайте его вскроем, посмотрим, как он устроен и попробуем починить.
Вскрытие пациента и его беглый осмотр
Достался мне модуль, как я выше сказал, сгоревшим. По словам свидетеля поломки, он отказал без видимых причин . Ранее ко мне в руки уже попали останки такого же — уже до меня разобранного и частично разукомплектованного (например, не хватало умножителя напряжения), с явными следами попыток не слишком аккуратного ремонта или переделки. Мы его будем использовать в качестве ориентира и, возможно, — донора.
Неисправность проявляется тем, что блок потребляет от источника 12 В ток около 20 мА и не проявляет более никаких признаков жизни, за исключением присутствия опорного напряжения 4 В на выводе 4. Независимо от входного напряжения на выводе 3 напряжение на выходе равно нулю. Что ж, будем вскрывать.
Корпус модуля имеет вид коробочки без крышки, согнутой из тонкого листа белой жести, с вложенным внутрь изоляционным вкладышем из прозрачного листового пластика. Корпус, внутри которого находится "бутерброд" из двух печатных плат, залит компаундом, похожим на мягкую резину. Для разборки нужно отлепить внутренние поверхности стенок коробочки от компаунда, просовывая между ними какой-нибудь шпатель или пластиковую карточку, после чего корпус легко снимается с заливки. Этому помешает короткий провод, соединяющий "землю" платы с корпусом, и его нужно отрезать или отпаять. Компаунд мягкий, легко удаляется ногтями, зубочисткой и в сложных местах — скальпелем, при этом следует соблюдать особую осторожность в районе трансформатора (ровно посередине платы).
Очищенная от компаунда плата показана на фото. Компоненты схемы довольно плотно смонтированы на обеих ее сторонах. Будем считать верхней стороной ту, где находится трансформатор. Здесь располагаются ОУ в корпусе SO-8 с маркировкой 1251, являющийся полным аналогом LM358, ШИМ-контроллер μPC494GS фирмы NEC (полный аналог TL494) также в корпусе SOIC, и два ключевых полевых транзистора 2SK974. Тут же смонтированы весьма миниатюрный трансформатор и двенадцатикаскадный умножитель напряжения, выполненный на отдельной субплате, изолированной от основной платы прокладкой из белой керамики. Среди резисторов виднеется много зеленых тонкопленочных, с повышенной точностью (0,5%) и термостабильностью.
На нижней стороне располагаются конденсаторы и резисторы фильтра выходного напряжения (по пять последовательно соединенных конденсаторов 0,068 мкФ х 630 В и три последовательно соединенных резисторов типоразмера 2512 на 2,7 кОм, еще одни такие же три резистора, относящиеся к этому узлу — с другой стороны, прямо под платой умножителя), крупные высоковольтные SMD резисторы обратной связи по выходному напряжению, четыре мощных биполярных транзистора 2SA1615, соединенных параллельно, а также кучка дискретных компонентов, среди которых — 4 штуки мелких транзисторов (?) в корпусе SOT-23 и два покрупнее в корпусах SOT-89. Маркировка на мелких "транзисторах" не поддается идентификации (на одном D3, на двух других E3 и F3, причем тройка похожа скорее на букву М на боку, на четвертом маркировку не разглядеть). В одном из элементов в корпусе SOT-89, стоящем в цепи питания ШИМ-контроллера, легко угадать по обвязке обычный интегральный стабилизатор, скорее всего, типа 78L09. Второй — обычный биполярный транзистор pnp-структуры неизвестного типа. Остальные "транзисторы", возможно, являются диодными сборками (по крайней мере, в одном случае он явно используется в качестве диода).
Схема
Для начала я постарался как можно точнее перерисовать схему. Наличие второй полуразоренной платы позволяло мне заглядывать под детали, снимая их не с "перспективного" экземпляра, рискуя целостностью их и дорожек, а с нее.
Начнем с инвертора. Тут все просто: обычный двухтактный преобразователь, трансформатор со средней точкой. ШИМ-контроллер DA2 типа μPC494GS используется, как микроскоп для забивания гвоздей: все его ШИМ-возможности наглухо заблокировали, посадив на землю вход FB (вывод 4) и жестко задав скважность генерируемых импульсов, подав управляющее напряжение на вход DTC с делителя напряжения R8R5. Впрочем, наличие на выходе умножителя напряжения в любом случае делает ШИМ бесполезной.
Частота задающего генератора μPC494GS определяется конденсатором С2 и резистором R4, и составляет около 240 кГц, частота коммутации вдвое ниже. Питание DA2 осуществляется от интегрального стабилизатора DA3 напряжением 9 В. Парафазные импульсы с выходных транзисторов DA2, включенных по схеме с общим коллектором, подаются на затворы n-МОП транзисторов VT6 и VT7 (2SK974) через резисторы на 100 Ом (R24, R25). Разряд затворов при выключении транзисторов происходит пассивно, через соединенные параллельно резисторы на 470 Ом R27 и R29 в одном плече и R28 и R30 в другом. Открываются, а особенно закрываются транзисторы при таком включении весьма неспешно для частоты переключения 120 кГц, зато практически без выбросов, с минимумом переходных процессов и помех. Ценой этого является повышенный нагрев ключей, но при мощности преобразователя, не превышающей 2 Вт, он оказывается вполне приемлемым.
Инвертор работает на трансформатор T1, намотанный на сердечнике типа ER 11/5 (низкопрофильный Ш-образный с круглым керном), феррит, вероятно, стандартный N87. Примерные намоточные данные (по результатам измерения индуктивностей обмоток и учитывая справочную индуктивность витка) — 2х12 витков первичная обмотка, 250 витков — вторичная. Работает трансформатор на 12-каскадный умножитель напряжения, формирующий отрицательное напряжение. Диоды опознать не удалось, в корпусе SMA, конденсаторы 0,02 мкФ х 250 В типоразмера 2512. После умножителя включен RCRC-фильтр R42-R45 -- C28-C39 -- R40-R42 -- C27-C38, для снижения уровня пульсаций. Этот фильтр занимает практически такую же площадь на плате, как и умножитель -- чуть меньше ее половины. Благодаря его удачной топологии на плате, при напряжении 1000-2000 В уровень пульсаций не превышает нескольких десятков милливольт, что является очень хорошим результатом для миниатюрного модуля. Производитель рекомендует использовать внешний емкостный фильтр для еще лучшего подавления пульсаций.
В отсутствие ШИМ-регулирования для управления напряжением на выходе преобразователя использован тот же подход, что в моем преобразователе с использованием CCFL-трансформатора, — линейный регулирующий элемент, включенный в разрыв питания выходного каскада инвертора. В его качестве применены четыре мощных транзистора 2SA1615 — VT2, VT4, VT5 и VT8, соединенных параллельно с уравнивающими резисторами в эмиттерных цепях. Это транзисторы структуры pnp, Uкэ max 20В, 10А, 15 Вт, h21э = 200-600. Высокий коэффициент усиления позволяет управлять этими транзисторами прямо с выхода операционного усилителя, при этом управляющий ток не превысит 1 мА. Назначение диодной сборки (?) VD2 — тайна за семью печатями — это еще один представитель семейства непонятных "транзисторов" (защита транзисторов от импульсных перенапряжений при пробоях в цепи высокого напряжения?). Как и рядом расположенный никак не прозванивающийся компонент, к которому подходят линии от коллекторов регулирующих транзисторов, входного напряжения питания и питания ШИМ-контроллера.
Усилитель ошибки собран на половине ОУ DA1, μPC1251 — микросхемы, во всем, кроме температурного диапазона, идентичной всем известному дешевому ОУ с однополярным питанием LM358. Полное понимание схемы этого узла затрудняется наличием в этом каскаде еще одного из неопознанных "транзисторов". Если на него не смотреть, схема представляет собой интегратор с разомкнутой по постоянному току петлей обратной связи (замыкается она только в общем контуре регулирования), что устраняет статическую ошибку регулирования, и избавляет от необходимости подбирать коэффициент усиления по постоянному току. Выходное напряжение умножителя подается сюда через цепочку из специализированных высоковольтных резисторов R37-R39 суммарным сопротивлением 30 МОм (обычных резисторов сюда пришлось бы поставить не менее десятка, чтобы соблюсти максимально допустимое напряжение). На неинвертирующий вход при этом поступает управляющее напряжение, с которым сравнивается выходное. На плате предусмотрены резервные контактные площадки и разводка к ним, не занятые деталями — видимо, для варианта с положительным выходным напряжением.
Вторая половина DA1 используется для организации защиты по току, срабатывающей при повышении падения напряжения на резисторе 0,25 Ом в цепи "земли" выходного каскада инвертора.
В качестве опорного источника, выводимого на вывод 4 преобразователя, используется ИОН в составе μPC494GS. Этот вывод предназначен для подключения верхнего вывода внешнего делителя или потенциометра, задающего выходное напряжение. Между выходом ИОН (он вырабатывает 5 В) и этим выводом включен резистор 1 К, так что при подключении потенциометра сопротивлением 5 кОм на нем выходит 4,16 В. Это напряжение несколько выше, чем соответствующее 2000 В на выходе преобразователя. Это же напряжение — опорное для компаратора токовой защиты (при этом к нему с непонятной целью "подмешивается" еще напряжение питания выходного каскада). Выход компаратора соединен с базой вспомогательного транзистора VT1, который, открываясь, шунтирует эмиттерные переходы регулирующих транзисторов VT2, VT4, VT5 и VT8, принудительно закрывая и и тем самым обесточивая инвертор. К входу этого же ключа через диод VD1 (это еще один неопознанный "транзистор" в корпусе SOT-23, но на этот раз со вполне ясной функцией) подключен вывод "Enable", принудительно отключающий преобразователь, если его притянуть к земле. Когда этот вывод не подключен или на него подан высокий уровень, он не влияет на работу устройства.
Ремонт
Теперь, разобравшись, что к чему, подпаяем к выводам GND (2), ADJ (3) и REF (4) потенциометр на 5 кОм, установим его в среднее положение, к выводу HV OUT (7) подключим вольтметр на пределе 2000 В*, и подадим питание 12 В на выводы 1 (плюс) и 2 (минус). Как и до вскрытия, имеется небольшое потребление (20 мА) — и все. На выходе — ноль.
Для начала поглядим, "дышит" ли ШИМка, проверив осциллографом сигналы на затворах ключевых транзисторов. На одном затворе сигнал есть (но странный — частотой всего 260 Гц, что очень мало, причем частота эта нестабильна), на другом — отсутствует. Непосредственно на выводах 9 и 10 DA2 оба сигнала есть. Проверяем "молчащий" транзистор — пробоя по затвору нет. Значит, наверняка в обрыве резистор R24 между затвором и выходом DA2. Убеждаемся в этом c с помощью мультиметра и заменяем резистор, и профилактически — парный к нему R25 в цепи второго затвора. Для надежности -- каждый собираем из двух, напаянных друг на друга стопкой, по 200 Ом каждый.
Лично я бы изначально ставил здесь резисторы типа 1206, так рассеиваемая ими мощность в импульсе составляет около 0,36 Вт, что втрое превышает предельное значение для типоразмера 0805 и не способствует надежности — толстопленочные SMD резисторы имеют крайне малую перегрузочную способность, и существенно превышать предельную рассеиваемую мощность даже в коротких импульсах нежелательно.
После замены указанных резисторов на обоих затворах есть управляющие сигналы. Но на стоках транзисторов, тем не менее, ноль. Напряжения нет и в средней точке первичных обмоток трансформатора Т1. Это говорит о том, что регулирующие транзисторы VT2, VT4, VT5 и VT8 закрыты (за кадром я уже убедился в их исправности). Но прежде чем разбираться с ними, нужно устранить проблему с частотой — она не должна быть такой. Ее задают резистор R4 и конденсатор C2 между выводами 6 и 5 соответственно, и землей. Сопротивление R4 по маркировке — 5,6К. Фактически — 3 мегаома. Заменяем и этот резистор. Частота 121 кГц.
Где два резистора, там может быть и третий. Последовательно замеряем все, что есть на плате и находим еще один резистор в обрыве — R14. Меняем и его. И вот теперь — победа: регулирующие транзисторы приоткрылись, на стоках VT7 и VT8 появился кривой меандр, потребление выросло до 60 мА и на выходе появилось высокое напряжение -- 961 вольт. При изменении напряжения питания оно не меняется — стабилизация есть. Все работает! Проверяем работу под нагрузкой — при токе до 250 мкА все в порядке, просадки почти нет, но полную нагрузку не держит. Ищем дальше — и я уже догадываюсь, где искать. Сопротивление параллельно соединенных R33 и R34 — 0,5 Ом, а должно быть вдвое меньше. Значит, один из них тоже в обрыве. "Сдуваю" с платы оба и меняю на новые. Теперь точно все. Остается тщательно отмыть плату от флюса и очистить от остатков прошлого компаунда, и после недели прогона на стенде под нагрузкой — собрать модуль в корпусе и залить свежим компаундом, не забыв припаять обратно землю к корпусу .
В качестве компаунда будет использован имеющийся у меня в запасе КПТД-1/1Т-8.5 фирмы "Номакон", обладающий аналогичными оригиналу механическими свойствами и высокой теплопроводностью. А пока на повестке дня — длительный прогон и, возможно, замена оставшихся "черных" резисторов (тонкопленочные зеленые и высоковольтные придется оставить, как есть, так как их не достать).
В чем же причина такого массового "падежа" резисторов? Я уже сталкивался с тем, что на плате вышло из строя сразу несколько чип-резисторов, но не пострадало ни одного полупроводника. Но это была плата, подвергавшаяся в течение многих лет сильной вибрации (предусилитель, установленный внутри корпуса бас-гитары). Здесь ничего похожего быть не могло. Возможно, когда-то еще до монтажа модуль уронили на пол. Не отличающийся жесткостью корпус и мягкий компаунд передали удар на хрупкую керамику резисторов, и возникшие в ней микротрещины привели со временем к отказу. Может быть, причина была в перевозке прибора с этим модулем внутри в неотапливаемом кузове фуры с оборудованием, которую везли зимой по заполярным морозам. От мороза компаунд затвердел и возникшие внутренние напряжения привели к возникновению микротрещин.
* Имея дело с высокими напряжениями, целесообразно сделать делитель напряжения 1:100 для мультиметра из резисторов сопротивлением 100 и 1,111 МОм (для входного сопротивления мультиметра 10 МОм). Последний, конечно, придется составить из двух -- постоянного и подстроечного, и подобрав их под реальное входное сопротивление мультиметра и 100 МОм резистора (если последний — не прецизионный вроде МРХ) до правильных показаний. Без такого делителя возня с напряжениями выше 1000 В, даже если прибор их показывает, рано или поздно приведет к порче мультиметра — у 99% мультиметров общего назначения максимально разрешенное постоянное напряжение на входе равно 1000 В, и я знаю только одну модель с напряжением 1200 В, GDS-8245/8246.
Послесловие
В завершение - отвечу на извечный вопрос: что это делает на Хабре?! Дело в том, что я, похоже, буду первым, кто не просто заглянул внутрь данного модуля, но и описал его внутреннее устройство в сети. Во всяком случае, мне не удалось найти никакой информации о начинке этих блочков — даже в виде простых фотографий внутренностей. Надеюсь, кому-нибудь это окажется полезно. А Хабр — лучшее место, где эта информация не просто будет донесена до общественности, но и имеет шансы сохраниться в доступности на долгие годы.
Не стоит смотреть на эту схему, как на конструкцию для повторения 1:1. Здесь возможны ошибки (одну некритичную я уже нашел — на схеме не показан резистор 1К между входом и выходом стабилизатора DA3, на схеме расположения деталей он ошибочно промаркирован, как R17 на нижней стороне платы). Мне так и не удалось узнать, что за "транзисторы" в ней использованы. Я все же планирую сделать схему "по мотивам" в аналогичном форм-факторе, используя примененные здесь "ноу-хау": "мягкое" управление ключевыми транзисторами, конструкцию трансформатора, умножителя и выходного фильтра, схему регулирования и т.д. Но вряд ли стоит здесь использовать TL494, тем более, она внезапно стала дефицитом. MIC3809 или другой подобный контроллер в 8-выводном корпусе будет лучшим выбором, занимая меньше места на плате и требуя меньшего количества внешних элементов для работы.
И конечно, следует обратить пристальное внимание на проблему надежности SMD-резисторов.
