Недавно один знайомий попросив мене допомогти з проблемою. Він займається розробкою LED ламп, попутно ними приторговуючи. У нього накопичилася деяка кількість ламп, що працюють неправильно. Ззовні це виражається так - при включенні лампа спалахує на короткий час (менше секунди) на секунду гасне і так повторюється нескінченно. Він дав мені на дослідження три таких лампи, я проблему вирішив, несправність виявилася дуже цікавою (прямо в стилі Еркюля Пуаро) і я хочу розповісти про шлях пошуку несправності.
LED лампа виглядає ось так:
Ріс 1. Вигляд розібраної LED лампи
Розробник застосував цікаве рішення - тепло від працюючих світлодіодів забирається тепловою трубкою і передається на класичний алюмінієвий радіатор. За словами автора, таке рішення дозволяє забезпечити правильний тепловий режим для світлодіодів, мінімізуючи теплову деградацію і забезпечуючи максимально можливий термін служби діодів. Попутно збільшується термін служби драйвера живлення діодів, оскільки плата драйвера виявляється винесеною з теплового контуру і температура плати не перевищує 50 градусів Цельсія.
Таке рішення - розділити функціональні зони випромінювання світла, відведення тепла і генерації живильного струму - дозволило отримати високі експлуатаційні характеристики лампи за надійністю, довговічністю та ремонтопридатністю.
Мінус таких ламп, як не дивно, прямо витікає з її плюсів - довговічна лампа не потрібна виробникам:). Історію про змову виробників ламп розжарювання про максимальний термін служби в 1000 годин всі пам'ятають?
Ну і не можу не відзначити характерний зовнішній вигляд виробу. Мій «держконтроль» (дружина) не дозволив мені ставити ці лампи в люстру, де вони видні.
Повернемося до проблем драйвера.
Ось так виглядає плата драйвера:
Ріс 2. Вигляд LED драйвера з боку поверхневого монтажу
І зі зворотного боку:
Рис 3. Зовнішній вигляд плати LED драйвера з боку силових деталей
Вивчення її під мікроскопом дозволило визначити тип керуючої мікросхеми - це MT7930. Це мікросхема контролю зворотноходового перетворювача (Fly Back), обвішана різноманітними захистами, як новорічна ялинка - іграшками.
У МТ7930 вбудовані захисти:
- від перевищення струму ключового елемента
- зниження напруги харчування
- підвищення напруги харчування
- короткого замикання у навантаженні та обриву навантаження.
- від перевищення температури кристала
Декларування захисту від короткого замикання в навантаженні для джерела струму носить швидше маркетинговий характер:)
Принципової схеми на саме такий драйвер здобути не вдалося, проте пошук в мережі дав кілька дуже схожих схем. Найбільш близька наведена на малюнку:
Рис 4. LED Driver MT7930. Схема електрична принципова
Аналіз цієї схеми і вдумливе читання мануала до мікросхеми привело мене до висновку, що джерело проблеми миготіння - це спрацювання захисту після старту. Тобто. процедура початкового запуску проходить (спалахування лампи - це воно і є), але далі перетворювач вимикається по якийсь із захистів, конденсатори харчування розряджаються і цикл починається заново.
Увага! У схемі присутні небезпечні для життя напруги! Не повторювати без належного розуміння що ви робите!
Для дослідження сигналів осциллографом треба розв'язати схему від мережі, щоб не було гальванічного контакту. Для цього я застосував розділовий трансформатор. На балконі в запасах були знайдені два трансформатори ТН36 ще радянського виробництва, датовані 1975 роком. Ну, це вічні пристрої, масивні, залиті повністю зеленим лаком. Підключив за схемою 220 - 24 - 24 -220. Тобто. спочатку знизив напругу до 24 вольт (4 вторинних обмотки по 6.3 вольти), а потім підвищив. Наявність кількох первинних обмоток з відводами дало мені можливість пограти з різними напругами харчування - від 110 вольт до 238 вольт. Таке рішення звичайно дещо надлишкове, але цілком придатне для одноразових вимірювань.
Рис 5. Фото розділового трансформатора
З опису старту в мануалі випливає, що під час подачі харчування починає заряджатися конденсатор С8 через резистори R1 і R2 сумарним опором близько 600 кім. Два резистори застосовані з вимог безпеки, щоб при пробої одного струм через цей ланцюг не перевищив безпечного значення.
Отже, конденсатор з харчування повільно заряджається (це час близько 300-400 мс) і коли напруга на ньому досягає рівня 18,5 вольт - запускається процедура старту перетворювача. Мікросхема починає генерувати послідовність імпульсів на ключовий польовий транзистор, що призводить до виникнення напруги на обмотці Na. Ця напруга використовується двояко - для формування імпульсів зворотного зв'язку для контролю вихідного струму (ланцюг R5 R6 C5) і для формування напруги робочого харчування мікросхеми (ланцюг D2 R9). Одночасно у вихідний ланцюга виникає струм, який і призводить до запалювання лампи.
Чому ж спрацьовує захист і за яким саме параметром?
Перше припущення
Спрацьовування захисту щодо перевищення вихідного напруження?
Для перевірки цього припущення я випаяв і перевірив резистори в ланцюгу ділителя (R5 10 ком і R6 39 кім). Не випоюючи їх не перевірити, оскільки через обмотку трансформатора вони запаралени. Елементи виявилися справні, але в якийсь момент схема запрацювала!
Я перевірив осциллографом форми і напруги сигналів у всіх точках перетворювача і з подивом переконався, що всі вони - повністю паспортні. Ніяких відхилень від норми...
Дав схемі попрацювати годинку - все ОК.
А якщо дати їй охолонути? Після 20 хвилин у вимкненому стані не працює.
Дуже добре, мабуть справа в нагріванні якогось елемента?
Але якого? І які ж параметри елемента можуть спливати?
У цій точці я зробив висновок, що на платі перетворювача є якийсь елемент, чутливий до температури. Нагрів цього елемента повністю нормалізує роботу схеми.
Що ж це за елемент?
Друге припущення
Підозра припала на трансформатор. Проблема мислилася так - трансформатор через неточності виготовлення (скажімо на пару витків недомотана обмотка) працює в області насичення і через різке падіння індуктивності і різке наростання струму спрацьовує захист за струмом польового ключа. Це резистор R4 R8 R19 в ланцюгу стоку, сигнал з якого подається на виведення 8 (CS, мабуть Current Sense) мікросхеми і використовується для ланцюга ОС за струмом і при перевищенні статутки в 2.4 вольта відключає генерацію для захисту польового транзистора і трансформатора від пошкоджень. На досліджуваній платі стоїть паралельно два резистори R15 R16 з еквівалентним опором 2,3 ома.
Але наскільки я знаю, параметри трансформатора при нагріванні погіршуються, тобто поведінка системи має бути іншою - включення, робота хвилин 5-10 і вимкнення. Трансформатор на платі досить масивний і теплова постійна у нього ну ніяк не менше одиниць хвилин.
Може, звичайно в ньому є короткозамкнутий виток, який зникає при нагріванні?
Перепайка трансформатора на гарантовано справний була в той момент неможлива (не привезли ще гарантовано робочу плату), тому залишив цей варіант на потім, коли зовсім версій не залишиться:). Плюс інтуїтивне відчуття - не воно. Я довіряю своїй інженерній інтуїції.
До цього моменту я перевірив гіпотезу про спрацювання захисту по струму, зменшивши резистор ОС по струму вдвічі припайкою паралельно йому такого ж - це ніяк не вплинуло на моргання лампи.
Значить, з струмом польового транзистора все нормально і перевищення за струмом немає. Це було добре видно і за формою сигналу на екрані осциллографу. Пік пілоподібного сигналу становив 1,8 вольта і явно не досягав значення в 2,4 вольта, при якому мікросхема вимикає генерацію.
До зміни навантаження схема також виявилася нечутлива - ні приєднання другої головки паралельно, ні перемикання прогрітої голови на холодну і назад нічого не змінювало.
Третє припущення
Я досліджував напруження живлення мікросхеми. При роботі в штатному режимі всі напруги були абсолютно нормальними. У миготливому режимі теж, наскільки можна було судити за формами сигналів на екрані осциллографу.
Як і раніше, система блимала в холодному стані і починала нормально працювати при прогріванні ніжки трансформатора паяльником. Секунд 15 погріти - і все нормально заводиться.
Прогрів мікросхеми паяльником нічого не давав.
І дуже бентежив малий час нагріву... що там може за 15 секунд змінитися?
У якийсь момент сів і методично, логічно відсік все, що гарантовано працює. Раз лампа загоряється - значить ланцюги запуску справні.
Раз нагрівом плати вдається запустити систему і вона годинами працює - значить і силові системи справні.
Остигає і перестає працювати - щось залежить від температури...
Тріщина на платі в ланцюгу зворотного зв'язку? Остигає і стискається, контакт порушується, нагрівається, розширюється і контакт відновлюється?
Пролазив тестером холодну плату - немає обривів.
Що ж ще може заважати переходу від режиму запуску в робочий режим?!!!
Від повної безнадії інтуїтивно припаяв паралельно електролітичному конденсатору 10 мкф на 35 вольт з живлення мікросхеми такий же.
І тут настало щастя. Заробило!
Заміна конденсатора 10 мкф на 22 мкф повністю вирішила проблему.
Ось він, винуватець проблеми:
Рис 6. Конденсатор з неправильною ємністю
Тепер став зрозумілий механізм несправності. Схема має два ланцюги живлення мікросхеми. Перша, що запускає, повільно заряджає конденсатор С8 при подачі 220 вольт через резистор в 600 кім. Після його заряду мікросхема починає генерувати імпульси для польовика, запускаючи силову частину схеми. Це призводить до генерації харчування для мікросхеми в робочому режимі на окремій обмотці, яке надходить на конденсатор через діод з резистором. Сигнал з цієї обмотки також використовується для стабілізації вихідного струму.
Поки система не вийшла в робочий режим - мікросхема живиться запасеною енергією в конденсаторі. І її не вистачало трохи - буквально пари-трійки відсотків.
Падіння напруги виявилося достатньо, щоб система захисту мікросхеми спрацьовувала по зниженому харчуванню і відключала все. І цикл починався заново.
Відловити цю просадку напруги харчування осциллографом не виходило - занадто груба оцінка. Мені здавалося, що все нормально.
Прогрів же плати збільшував ємність конденсатора на відсутні відсотки - і енергії вже вистачало на нормальний запуск.
Зрозуміло, чому тільки певна частина драйверів відмовила при повністю справних елементах. Зіграло роль химерне поєднання наступних факторів:
- Мала ємність конденсатора з харчування. Позитивну роль зіграв допуск на ємність електролітичних конденсаторів (-20% + 80%), тобто ємності номіналом 10 мкф у 80% випадків мають реальну ємність близько 18 мкф. З часом ємність зменшується через висихання електроліту.
- Позитивна температурна залежність ємності електролітичних конденсаторів від температури. Підвищена температура на місці вихідного контролю - досить буквально пари-трійки градусів і ємності вистачає для нормального запуску. Якщо припустити, що на місці вихідного контролю було не 20 градусів, а 25-27, то цього виявилося достатньо для практично 100% проходження вихідного контролю.
Виробник драйверів заощадив звичайно, застосувавши ємності меншого номіналу порівняно з референс дизайн з мануала (там зазначено 22 мкф) але свіжі ємності при підвищеній температурі і з урахуванням розкиду + 80% дозволили партію драйверів здати замовнику. Замовник отримав начебто працюючі драйвери, які з часом стали відмовляти з незрозумілої причини. Цікаво було б дізнатися - інженери виробника врахували особливості поведінки електролітичних конденсаторів при підвищенні температури і природний розкид або це вийшло випадково?