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电气维修方法论第二十一篇(元件级维修的定义和条件)

元件级维修主要对象是电路板。电路板是由电气元件、接插件和PCB板组成实现特定电气功能的部件,也是电气设备有别于其它设备的重要标志。电路板分为单功能板类和复合功能板类,如果从属于复合功能类型,就继承了多种本质特征和规律。元件级维修建立在部件级维修基础上,就是故障电路板维修。电路板种类繁多、用途广泛和功能各异,通过故障电路板品牌标识、规格型号查阅或咨询获得其技术手册、端口接线图、电路原理图等技术资料判断电路板从属的电路类型,进而快速掌握继承的本质特征和规律,再根据运用场景和维护历史了解其具体特征和规律,最后形成综合特征和规律,为元件级维修建立认知基础。\” />

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元件级维修的定义

电路板为对象,查找或处理最终对象是电气元件的维修统称为元件级维修,又称为电路板维修。基本思路是快速认知故障电路板后通过观察、剖析和测量缩小故障源排查范围,用相同电气元件替换排除故障。元件级维修是部件级维修的延续,因为电路板上电气元件种类和数量较多,元件间连接线路复杂,所以维修难度大于部件级维修。通常电路板体积较小便于携带,可以在维修中心搭建电路板测试平台方便维修。

由于采购渠道缺失、商业竞争或产品升级淘汰等原因,造成无法获得部件级维修所需要的部件,只能对故障部件进行元件级维修。因为不需要储备大量设备配件,还能防止经销商或生产商垄断后形成高价配件,所以极大降低了维修的配件成本。元件级维修虽然要求维修工程师具有扎实理论基础和丰富实践经验、较强逻辑推理能力和熟练使用专用工具仪器技能、能够灵活排查故障源和修理故障,对专用工具和仪器配置高,元器件采购周期长,维修效率低,但是具有适用范围广、维修配件成本低的优点,通过维修能找出电气故障底层本质原因,有助于深刻理解电气设备工作原理,为提高维护水平和今后升级改造提供坚实的技术支撑。

标准电路板至少由一个以上功能电路组成,不同功能电路之间存在包含兼容、独立并列、辅助配套的关系。因为要在最小面积电路板上安装最多电气元件,很难将功能单元电路集中布局,所以电路板上电气元件之间连接线路极其复杂,加大了排查故障元件的难度。

元件级维修的条件

需要的专业技能

元件级维修要求系统掌握物理学、数学、电工基础、模拟和数字电路、电机学、自动控制、信号分析、编程软件数据库设计、三维绘图等专业知识,深刻理解常用电气设备、电路和电气元件的工作原理、功能用途和规格样式等本质特征和规律。具有丰富的实践经验,熟练使用万用表示波器等专用仪器判断电气设备、电路板和电气元件好坏的技能,能够根据具体情况灵活选择或制定可操作性强的拆装工艺和检测办法,掌握电气设备、电路板和电气元件拆装技能。根据元件布局图和线路图逆向推测出对应的电路原理图,再验证电路是否正常。能用电路设计软件设计电路原理图,并进行仿真验证,编译出PCB图(甚至三维模型)和材料清单表。能进行元件级维修的电气工程师既有单位技术骨干,也有部分资深发烧友,都是电气维护行业中坚力量。

一、多引脚元件拆焊技能

元件级维修时经常需要从电路板上拆焊多引脚电气元件,如集成电路、厚膜等。由于多引脚元件封装形式多样,引脚多间距小,引脚越多拆焊难度越大,错误拆焊办法容易损坏多引脚元件及PCB板。拆焊多引脚元件关键是尽量让所有焊点上焊锡同时受热熔化,正确拆焊顺序是先拆的后装、后拆的先装,及时记录拆装步骤以及每个电气元件安装定位。

多引脚元件对温度比较敏感,在拆焊时要控制加热时间和温度,如果时间过长温度过高会烫坏多引脚元件,甚至会使PCB板焊盘翘起或脱落。

拆焊时用力过大会引起多引脚元件引线脱落或铜箔与PCB板脱离,不要采用拉、摇或扭等办法强行拆除焊点。拆卸多引脚元件前先调直已弯曲引脚,避免拆卸时破坏PCB板。焊接前保护多引脚元件避免其引脚弯曲变形。焊接后及时剪除多引脚元件过长的多余引脚。

焊接时要确保牢靠、避免虚焊,焊接后仔细检查各引脚间有否存在短路和引脚虚焊。焊接时适当使用助焊剂有助于提高焊接质量,焊接完成后要用洗板水及时清洗电路板。

多引脚元件拆焊办法

使用吸锡器拆卸多引脚元件,当焊点焊锡受热熔化后吸入细锡器内,再用空心针管使引脚松动,待其全部引脚焊锡被吸完脱离PCB板,即可拆下多引脚元件,此法适用于直列式封装多引脚元件的拆焊。

热风拆焊台或热风枪喷头可喷出温度达几百摄氏度的热风,利用热风将各引脚上焊锡同时熔化后拆下或焊上多引脚元件。热风焊接是最常用多引脚元件拆焊方法,适用范围广,但对操作技能要求较高。拆卸前用锡箔纸覆盖集成电路周围的其它电路,保护其免受多余热风影响。拆卸时要让热风喷头和所拆得多引脚元件保持垂直,控制温度、风速和方向,并沿多引脚元件周围引脚移动喷头,对各引脚焊锡均匀加热,喷头不要触及多引脚元件及周围的外围元件,吹焊位置要准确,尽量不要吹到多引脚元件周围的元件。待焊锡熔化后用尖镊子取下多引脚元件。

加锡融化拆卸法,先给待拆多引脚元件引脚上增加焊锡,将每列引脚的焊点用焊锡连接起来,用较大功率电烙铁对各列引脚轮流加热,待所有焊锡都融化后,用尖镊子轻轻撬动多引脚元件并迅速拆下。根据不同封装多引脚元件采用相匹配专用烙铁头,待全部引脚焊锡都熔化后即可拆下多引脚元件,缺点是需要准备多种形式的烙铁头。

吸锡线拆卸法,将吸锡线放到多引脚元件引脚上用电烙铁加热,引脚上焊锡会被吸锡线吸附,多次重复后吸走引脚上全部焊锡,所有引脚焊锡吸完后用尖镊子轻轻撬下多引脚元件。吸锡线上已吸附焊锡的多余部分可剪去。

多引脚元件拆焊流程

(一)对电气元件拆焊前先让电路板断电并停止工作,采取相应安全保护措施。

(二)拆卸时要边拆卸边记录电气元件拆卸顺序、元件编号、放置位置、起始引脚、引脚排序方式和对外电气连接线路,记录电气元件初始参数等信息。

(三)保护被拆电气元件周围其它元件,需要特殊工艺拆卸需要提前进行拆卸试验。

(四)先拆卸电气元件机械固定零件,根据电气元件热容量、引脚类型或焊接方式选择不同类型焊接工具。

(五)逐步让全部电气引脚同时受热,待全部引脚焊锡都融化后再用镊子取下旧电气元件。

(六)先清除新元件引脚、引线或焊盘上氧化膜,用洗板水清洗电路板。

(七)焊接前先复核新元件和旧元件型号规格是否相同,按照拆卸记录反向逐步装配,按照放置位置、起始引脚和引脚排序进行固定。逐个焊接电气元件每个引脚,避免引脚间出现短路,最后用洗板水清洗电路板。

(八)机械固定电气元件后恢复对外电气连线,设置初始参数,通电验证电路板是否恢复正常状态。

二、电气元件检测技能

(一)电气元件的查询

电气元件在电路原理图中用专用图形符号和文字符号进行标识,电路板中电气元件封装上有颜色、图形和文字等多种标识形式。根据电气元件标识可检索其品牌型号、工作原理、功能用途、主要参数、封装样式、引脚排列等信息,有利于掌握电气元件拆装工艺和性能检测办法。

电气元件损坏后尽量用相同元件进行替换。如果无法获得相同电气元件,可用功能和封装相同、性能参数不低于原标准的相近电气元件替换。

(二)电气元件的检测

电路板上电气元件在使用过程中会遭遇各种突发意外伤害(如机械碰撞引起机械应变、冷热温差引起热应变、过电压过电流产生电应变等),部分电气元件长期使用后产生损耗或自然老化,都会降低电气元件性能,甚至损坏电气元件。

除外观直接破损外,因为电磁运动不可见性,所以需要借助专业仪器观察电气元件电磁运动特征和规律,与正常特征和规律作对比判断其好坏。电气元件的特征和规律包括阻抗、容抗和感抗等特性参数,输入输出电压电流有效值、伏安特性和逻辑关系。单功能电气元件离线时常用万用表检测其特性参数,在线通电状态用万用表测量电压电流有效值,示波器检测伏安特性,逻辑分析仪检测逻辑关系。多功能电气元件需要用信号发生源、可调直流电源、检测仪器(如示波器、逻辑分析仪等)和虚拟负载搭建测试平台检测其伏安特性或逻辑关系。

要根据维修需要合理选择检测办法,在线断电检测和在线通电检测不需要从电路板上拆卸电气元件,检测效率高,但是检测不全面,很难准确判断电气元件好坏。离线检测能全面、准确判断电气元件好坏,但是需要从电路板上拆卸电气元件、容易损害元件和PCB板,检测过程复杂、效率低,对仪器要求高。在元件级维修过程中,通常先进行在线断电检测,再进行在线通电检测,最后进行离线检测。

单功能元件检测经验

可利用包含被测电气元件的正常电路板作为测试平台进行在线通电检测,检测被测电气元件各引脚的电压和电流幅值、波形、频率、相位,和正常值对比能准确可靠判断电气元件是否正常工作。在线断电检测获得电气元件特性参数只能作为定性而不是定量分析判断的依据,如电阻电感的在线阻值要低于或等于标称值,否则可以判断其损坏;电容在线容值要大于标称值,否则可以判断其损坏;半导体PN结正向阻值大于反向阻值,否则可以判断其损坏。

线性元件(电阻、电容、电感)是电气设备数量最多的电气元件,如果损坏会出现烧焦发黑或破损鼓包等直观特征,通过仔细观察能快速找出损坏电气元件。

电阻或电感不容易损坏,只有长期工作在过流状态下才会烧断电阻或电感。如果损坏只能开路,不会产生阻值变化,通常用欧姆计测试电阻的好坏,用电感计测试电感的好坏。

电容损坏通常是耐压击穿或容量下降,表现为容量变小、开路、漏电和短路等。电源电路中电容多用于电源滤波,损坏时表现为容量变小。电容开路时会产生不稳定故障现象。电容寿命易受环境温度影响,温度越高电容寿命越短,电容漏电或短路时发热比较严重,要及时更换。用电容计测试电容的好坏。

半导体元件故障率大于非半导体元件,半导体元件都含有PN结,易受过流、过压或高温的冲击而损坏。表现为半导体元件PN结击穿、开路或短路。用各种专用测试仪测试半导体元件的好坏。

根据经验不同类型电气元件的故障率各不相同,非线性元件的故障率大于线性元件,半导体元件的故障率大于非半导体元件,电容故障率大于电阻和电感,通常按故障概率排序:机械元件〉半导体元件〉电容〉电阻〉电感。

根据经验不同类型电气元件的热稳定性各不相同,通过清洗散热装置和疏通散热通道解决热稳定差的问题,电气元件热稳定性排序:电阻、电感〉集成电路〉三极管二极管〉其它电容〉电解电容。

多功能电路检测经验

现代电气设备中最常用多功能电路就是集成电路,也是电路板中的核心电气元件,检测集成电路好坏是元件级维修的重要工作内容。因为集成电路直接将各种相关功能电路像黑匣子一样封装在一起,外接引脚较多,可视为电路板上子部件,所以通过外接引脚电气参数判断集成电路好坏难度较大。

集成电路的检测分为离线检测和在线通电检测。离线检测是通过测量集成电路功能引脚和公共端(如电源和地)阻值,模拟集成电路要求阻值在产品手册要求范围内,数字集成电路要求阻值和正常值偏差较小。电阻测量法简单安全,测量结果只作为判断集成电路好坏的参考。在线通电检测是在满足工作条件的情况下,测量集成电路各外接引脚的电压和电流的幅值、波形、频率和相位是否在正常数据的范围内,测量过程复杂,对安全和技术要求高,但是测量结果能准确判断集成电路的好坏。因为集成电路拆卸复杂,尽量采用在线通电检测法判断集成电路好坏。过压、过流、过热和短路都容易损坏集成电路。测量其引脚的电压或波形时,为避免造成引脚间短路,最好在与引脚直接连通的PCB板上进行测量。

检测前先查询掌握集成电路工作原理、功能用途和规格样式,熟悉其主要电气参数、各引脚用途以及引脚的正常电压、波形,外围配套电路的工作原理。

因为集成电路大多采用直接耦合,外围电路不正常也会导致多处引脚电压偏差,所以不要轻易判断集成电路损坏。因为部分故障不会引起引脚直流电压变化,所以不能证明集成电路完好。测量电压值只能作为判断集成电路好坏的参考。

大功率集成电路需要安装散热器才能长期稳定工作。可用红外线检测仪检测功率集成电路,判断其是否处于过载状态,作为判断集成电路好坏的参考。

三、电路检测技能

工作条件满足后,电路输出信号由输入信号、当前状态和人为干涉共同决定。

无记忆功能和无需人为干涉的电路属于条件驱动型运行方式,即所有外部条件满足后电路才能进入下一步工作状态。能够根据电路当前工作状态推演出下一步工作状态。

带记忆功能电路属于状态驱动型运动方式,即输出信号除所有外部条件满足外,还受当上一次电路记忆状态影响。能够根据电路上一步工作状态和当前工作状态推演出下一步工作状态。

人为干涉电路属于事件驱动型的运动方式,即输出信号受人为干涉影响。在其它条件都满足情况下,能够根据不同人为干涉状态推演出电路下一步工作状态。

模拟电路大多属于条件驱动运动方式,硬件固定数字电路(组合和时序数字电路)和模拟电路一样也属于条件驱动运动方式。因为数字电路比模拟电路更容易实现存储记忆功能,所以带记忆功能的数字电路大多属于状态驱动或事件驱动运动方式。由可编程元件(GAL、PAL)组成的数字电路,需要先从电路板上拆下可编程元件,通过专门检测工具判断元件好坏。由存储元件(ROM)组成的数字电路,通过专门读写器判断元件好坏。

四、PCB板检测技能

在电气维修中经常需要根据PCB板上覆铜线走向找出不同电气元件引脚之间连线,但是线路容易被电气元件遮挡,如果是多层PCB板还存过孔和盲孔,无法查看中间层线路走向,增加了排查线路走向的难度。

按照经验PCB板上工作电源线路、电源公共端、公共线路和接地线路的线条较宽,通常分布在多层PCB板中间层。信号线路、控制线路线条较窄,分布在多层PCB板顶层和底层。因为受专业电路设计软件限制,PCB板上线路线条要求横平竖直,做45度倒角,只能在焊盘处分支。

先用高分辨率相机对PCB板顶层和底层分别拍照并保存电子文档,将图片导入NI Multisim软件作为绘图的背景图片,调整图片大小和实物尺寸相同,在图片对应位置放置焊盘和连接线条后获得PCB接线图。还可用万用表通断档结合强光背景照射追踪排查PCB板线路走向,在图上标注出连接线条和焊盘后获得PCB接线图。

专用仪器的操作经验

虽然电磁运动的不可见性、高速性和复杂性,但是电磁能变化过程中必然伴随和其它能量间相互影响,相互转换。通过专业仪器检测其电气参数变化间接判断电气元件的好坏。

一、数显示波器使用经验

示波器能够对被测电信号进行测量和对比,通过计算处理将单路或多路被测电信号瞬时值随时间变化的曲线显示在示波器显示屏上,方便人们观察记录和分析对比单路或多路电信号变化过程,是元件级维修中最重要测量仪器,属于被动无损测量。能够测量直流和交流电信号的电压幅度、频率和波形,能够用两个通道同时测量并显示两路独立电信号波形形状和相位差别(即双踪测量)。

在电气设备中可能存在多套相互间没有电气连接的电路,每个电路都有自己的等电位公共端。等电位公共端和真实大地直接相连,称这种等电位公共端为接地端。等电位公共端不和真实大地直接相连,称这种等电位公共端为参考地。示波器的接地端、信号输入端BNC插座金属外圈、探头接地夹子和AC220V电源接地端相连,可以保护人身安全,屏蔽噪音干扰(对于微弱信号干扰比较明显)。

带宽是示波器的重要指标,示波器只能测量频率在自身带宽范围内的电信号,对频率超过带宽的电信号直接旁路过滤掉。采样率要高于带宽的5倍才能满足测量精度要求。

示波器“Y输入”的电压幅值不能超过仪器的极限值。“Y输入”导线悬空时容易受外界电磁干扰,应避免出现这种现象。示波器使用之前,先用万用表测量待测信号的两端分别和示波器接地端的电压幅值,如果电压高要采用高压差分探头进行测量。因为示波器测量电压幅值的精度低于万用表的精度,所以要用万用表测量待测信号两端的电压幅值,正确地选择示波器的量程档位。如果电压幅值超过示波器量程,要选择比例挡位匹配的探头进行测量。

示波器探头有高压、差分、有源和高速探头等多种类型。探头是示波器接触电路的部分,好的探头可以提供测试需要的保真度。根据测量信号的类型,选择不同的探头,电压探头、电流探头、逻辑探头和传感器探头,每种探头又分为无源探头和有源探头两种。对于无源探头,至少在更换探头或探头交换通道的时候,必须进行探头补偿调整。

要测量两路独立电信号时,要使用带隔离通道的双通双踪示波器。

示波器有多种触发工作模式,在电气设备维修中灵活地利用触发功能,可以检测故障信号周期极短(人眼睛不利于观察时间过长和过短的信号)的问题和捉捕故障现象随机出现的问题。减少带记忆功能示波器保存测试信号的数据量。

带记忆功能的示波器可以保存一定时间的测试信号,便于对信号进行分析和判断。对于便携式示波器停止使用后及时关机,节约电池能量。

二、频谱仪使用经验

频谱仪能够测量输入信号幅度与仪器频率范围内的幅频关系,并将变化曲线显示在频谱仪显示屏上,又称为傅里叶分析仪,主要用于测量复杂电信号频谱功率、失真度、调制度和频率稳定度等信号参数,使用方法和示波器相似。

频谱仪主要技术指标为频率范围、扫描宽度、频率分辨率、扫频时间等。频率范围是正常工作的最大频率范围,扫描宽度是单次测量过程中所显示的频率范围,频率分辨率是能将最近相邻频谱分量分辨出来的能力、扫频时间是进行单次全频范围扫描、并完成测量所需的时间。频谱仪输入端口的信号电平和功率不能超过最大允许值,测量前先用示波器检测输入信号电平。对频谱仪要定期校准。

三、红外热像仪使用经验

任何电气设备、电路板和电气元件工作时都会产生热量,如果温度过高会造成损坏。用红外热像仪指向并聚焦电气设备、电路板和电气元件,会自动调整温度最大值、温和区和最小值范围,在显示屏上清晰鲜明显示其红外特征图像,属于被动无损测量。红外热像仪操作方便高效,测量结果显示简单直观,测量范围从-20℃到500℃。空间分辨率是分辨相邻目标的最小间距,通过镜头变焦缩放能由远及近、从广到窄缩小显示极端温度点分布范围。数字红外热像仪能存储红外特征图像及相关测量数据,用随机软件设置参数抽取优化主图像。

元件级维修时以红外特征极端温度点为异常现象,电气元件温度过高测量其输入电流是否过大,温度过低测量其输入电流是否过低,能够缩小电气元件故障排查空间范围,再检测内因或外因判断电气元件自身好坏。

用红外热像仪远距测量各类高压电气设备中高压开关或隔离开关中心触头接触不良造成局部过热现象。用红外热像仪测量大功率电气设备(如发电机、变压器电动机)电气接插件松动、接触不良、电流过载、三相不平衡、绕组短路或开路、轴承温度过高、冷却系统失效等产生局部高温点。用红外热像仪测量功率电池或功率电容的接头松动、绝缘不良和漏液缺陷造成局部过热位置。检查供配电系统线路和断路器温度是否一致。用红外热像仪测量制冷设备的蒸发、散热、压缩过程温度分布是否正常。

四、虚拟仪器使用经验

通常检测仪器只能检测单一类型物理量,而使用LabVIEW开发虚拟仪器,通过更换不同采集模块(摄像头、拾音头、配套板卡或采集设备)将多种、多路物理量转换为模拟或数字电信号,再选择或开发相应检测程序实现信号显示、分析、处理和保存功能。

现代多数主流测试仪器都拥有对应LabVIEW驱动程序,通过二次开发方便控制其硬件设备,适用于各种检测领域的LabVIEW工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能,这些工具包降低了用户检测程序开发难度,甚至只需简单调用几个工具包中函数就可以组成一个完整的教程应用程序。

LabVIEW代码不需任何修改就可以运行在常用计算机操作系统上(如Windows、Mac OS 或Linux),还支持各种实时操作系统(如VxWorks或PharLap)和嵌入式设备(如PDA、FPGA)。

虚拟仪器常用于声音震动检测、图像颜色识别和逻辑信号分析等应用。受计算机运行速度限制,虚拟仪器程序检测频率较低。为保证LabVIEW兼容性,需要预装很多驱动程序。

五、可调直流电源使用经验

在元件级维修时,可调直流电源能为专用测试平台提供被测负载正常工作所需要的直流电源。可调直流电源能够输出多组独立可调直流电源。

可调直流电源上直流电压表显示当前输出直流电压值,直流电流表显示当前输出直流电流值,在元件级维修时方便测量负载功率。可调直流电源输出电压能够在0~30V范围内连续调整,配有粗调和细调两个旋钮。在接入负载前确定输出电压大小,先快速粗调后准确细调,防止电压过高烧坏负载。

可调直流电源每组输出端都有红色正和黑色负端口,正端口电位高于负端口电位。可调直流电源通电后,如果正和负端口输出引线相碰产生短路,那么可调直流电源进入保护状态,没有直流电压输出。当短路解除后按可调直流电源复位键可恢复正常输出。

可调直流电源正和负端口对应接入负载正和负端,如果反接会烧坏负载。为方便使用,可用带绝缘套管双夹子的红线和黑线连接可调直流电源和负载。具有两组独立直流电压的可调直流电源,其输出电压要分别调整。将两组独立直流电压串联,能够为需要正、负对称电源的负载供电。

六、信号发生器使用经验

在元件级维修时,信号发生器能为专用测试平台提供被测负载正常工作所需要的控制信号或输入信号。信号发生器主要分为模拟信号发生器和数字信号发生器。针对不同测量方式有不同类型信号发生器,选择正确信号发生器,才能保证测量过程顺利、测量结果准确。常用信号发生器有函数发生器、任意波形发生器、数字码型发生器和时钟发生器

函数发生器(Function Generator)可以生成正弦波、方波、三角波、锯齿波等常见波形,波形可以不断重复或单次脉冲(需要内部或外部触发源)。如果频率高于20kHz,函数发生器还具有调幅、调频、调相、脉宽调制和VCO控制等调制功能,主要为被测模拟电路提供输入信号,不适合高保真或频率稳定的应用。

任意波形发生器(Arbitrary Waveform Generator, 缩写AWG)能在频率、精度和输出电平范围内产生任意波形。与产生一组特定波形的函数发生器不同,AWG允许用户以各种不同方式设置任意源波形作为输出,主要为被测电路提供控制信号,使用灵活、速度快和保真度高。

数字码型发生器(Digital pattern generator)能设置产生各种满足激励需要格式的特定数字信号,主要为被测数字电路提供输入信号和控制信号。

时钟发生器能持续产生固定频率的方波,调节设置可以改变方波频率,主要为被测电路提供同步时钟信号。

审核编辑:汤梓红

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作者: admin

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