Hakkurit

Teholähteet ja hakkurit

Pekka Ritamäki

Hakkurit.jpg

Hakkuriteholähde on erinomainen keksintö

Teollisuudessa laitteet pyritään tekemään edullisemmin, pienempään kokoon ja tehokkaammaksi. Sähkön muuttaminen eri muotoihin kuuluu jokaiseen laitteeseen. Lopuksi sähkö muuttuu lämmöksi. Lämpö leviää laitteesta sen lähiympäristöön ja lopuksi se haihtuu avaruuteen.
Kirjoituksessa esitellään hakkuriteholähteiden historiaa, kuuluisia hakkuripiirejä ja hakkuritekniikan yksityiskohtia. Hakkurien suunnitteluun ja korjaukseen annetaan käytännön neuvoja.

Tasajännitemuuttajien toimintaperiaatteet

Jokaisessa sähkölaitteessa on teholähde ja varsinaisen toimilaite. Harvoin toimilaitteet toimivat samalla virralla, jännitteellä ja taajuudella kuin käytettävissä oleva teholähde. Sähkön muuttamiseksi toiseen muotoon tarvitaan tehomuuttaja, jota erheellisesti sanotaan teholähteeksi. Tässäkin käytetään samaa, erheellistä nimitystä.

Muuttajat jaetaan kolmeen ryhmään AC/DC, DC/DC ja DC/AC teholähteisiin.

AC/DC teholähteeseen kuuluu
• jännitteen alennusmuuntaja esimerkiksi 230VAC/12VAC
• muuntaja eristää käyttöjännitteen verkkojännitteestä
• tasasuuntaaja muuttaa vaihtojännitteen sykkiväksi tasajännitteeksi. suodatuskondensaattori varastoi sähköä vaihtojännitteen huippujen aikana ja luovuttaa sitä alhaisilla jännitteillä
• suodatuskondensaattori poistaa osan jännitteen vaihtelusta.
• jännitteenvakavointipiiri vakavoi antojännitteen kuorman ja tulojännitteen vaihteluita vastaan.
• oikosulkutilanteita vastaan teholähteissä on yleensä sulakesuojaus
• paremmissa virtalähteissä on ylivirta, ylilämpötila ja ylitehosuojaus
• virhetilan ilmaisu, jännite ja virtamittari käyttötarkoituksen mukaan

Hakkurit2.jpg

Kuva 2 Lineaarinen jännitesäädin ja keskiulosotolla varustettu muuntaja

Lineaarisissa teholähteissä jännitteen vakavointi tehdään muuttamalla sarjavastusta kuorman mukaan.
AC/DC muuntimissa on eristysmuuntaja, joka muuttaa suuremman vaihtojännitteen pienemmäksi tasajännitteeksi ja vakavoi antojännitteen kuorman ja tulojännitteen vaihteluja vastaan. Kuvassa 1 muuntajan toisiossa on kaksia käämiä, jolloin kokoaaltotasasuuntaaja voidaan tehdä vain kahdella diodilla. Diodien tehohäviö on puolta pienempi kuin Graez-tyyppisessä kokoaaltotasasuuntaajassa, katso kuvaa 2.
Saksalainen professori Leo Graetz keksi miten neljällä elektrolyyttikennolla voidaan vaihtojännite muuttaa tasajännitteeksi vuonna 1908. Näitä laitteita sanottiin Graetzin astioiksi ja myöhemmin kun elohopeatasasuuntaaja oli keksitty, kytkentää nimitettiin Graezin kytkennäksi. Nykyisinkin useimmat diodisillat ovat kytketyt Graezin kytkentään. Graez-nimiset televisiot olivat suosittuja Suomessakin 1960-luvulla. Graezin sähkötekniikan kirjasta otettiin ainakin 20 painosta 1900-luvun alussa.

Hakkurit3.jpg

Kuva 3 Leo Graetzin keksimä kokoaaltotasasuuntaajakytkentä

Lineaaristen jännitesäätimien ainoa huono asia on niiden huono hyötysuhde. Esim. jos tarvitaan 5 volttia jännitettä ja 10 ampeerin kuormitusvirtaa 25 voltin teollisuusteholähteestä, hyötyteho on 50 W, mutta hukkateho on 200 W. Hyötysuhde n=50/250 eli 20%. Lineaariteholähdettä ei tietysti kannata rakentaa tällä tavalla, vaan muuntajan mitoitus tehdään siten, että suurimmalla kuomalla sarjajännitesäätäjän yli jää noin 2-4 volttia.
Suodatuskondensaattorin vaihtojännite pitää ottaa huomioon tässä laskennassa. Vaikka käytettäisiin erittäin suurta suodatuskondensaattoria ja jännitteenvaihtelu sen navassa olisi muutamia millivoltteja, niin se ei pysty poistamaan verkkojännitteestä aiheutuvia muutoksia.
Useimmat nykyiset mikropiirit on suunniteltu toimimaan hyvin pienellä jännitealueella. Siksi melkein jokainen laite tarvitsee jännitesäätimen. Yleinen viiden voltin tasajännite vaatii 10 voltin jännitteen muuntajassa, jotta lineaarisäätimen jännitehäviö, kondensaattorissa esiintyvä vaihtojännite ja diodeissa tapahtuva jännitehäviö saadaan kumottua lähtöjännitteestä.

Hakkurit4.jpg

Kuva 4 Lineaarinen Gratzin sillalla tehty lineaarijännitesäädin

Kuvassa 4 on kokoaaltotasasuuntaajalla toimivan lineaarisen teholähteen periaatekuva. C1 tasaa sykkivän tasajännitteen tasajännitteeksi, jossa on vain vähän vaihtojännitettä mukana. Noin 5% on ihan hyväksyttävä arvo. Yleisesti käytetty arvo on 1000uF ampeeria kohti.
C2 tarvitaan yleensä lineaarisen säätimen toiminnan takia, muutoin monet säätimet värähtelevät.

Hakkurit5.jpg

Kuva 5 Jos laite on suunniteltu toimimaan vakavoimattomalla teholähteellä, voidaan käyttää esimerkiksi kuvassa esitettyä teholähdettä.

Hakkuriteholähde eli Switching power supply hoitaa jännitteen alennuksen ja antojännitteen tasaisena pitämisen tehokkaasti muuttamalla sähköä hyvällä hyötysuhteella. Hyvä hyötysuhde on syy miksi suunnittelijat käyttävät hakkuriteholähteitä lineaaristen teholähteiden asemasta.

Hakkurit6.jpg

Hakkurin toimintaperiaatetta selitetään kuvan 6avulla. Kun kytkin S toimii sopivalla kytkentäpulssisuhteella
PWM=Ton/T (kaava1)
saadaan kuormitusvastukseen alempi, keskimääräinen jännite
Vo=Vi*pwm. (kaava2)
Tämä menetelmä toimii hyvin esimerkiksi lämmityssäätimillä, mutta muut elektroniset laitteet vaativat tasaista jännitettä.

Hakkurit7.jpg

Hakkureissa käytetään kytkinelementtiä Q antamaan induktanssiin L energiaa varastoon.
E= ½ L*I² (kaava 3)
Vout = Vin /(T/(T-Ton)) (kaava 4)
Induktanssi L luovuttaa varastoimaansa energian kondensaattoriin kytkimen ollessa auki. Diodi D tarvitaan, jotta saataisiin suljettu virtapiiri kun transistori ei johda. Diodi on estosuunnassa kun transistori Q on johtavana. Hakkuri varastoi kahdella tavalla energiaa: kelaan L ja kondensaattoriin C. Tällä tavalla pidetään yllä vakavaa jännitettä, vaikka kytkinelementti on vuorotellen päällä ja pois. Muuttamalla taajuutta tai pulssisuhdetta voidaan kuoman virran muutokset kompensoida säätötekniikan avulla. Suurilla taajuuksilla diodin nopeudella on suuri merkitys diodin häviöihin. Pienillä jännitteillä käytetään Schottky diodeita. Diodi voidaan korvata FETillä, jolloin puhutaan synkronimoduloinnista.

Hakkureita on monia ei perustyyppejä

Hakkurit8.jpg

Buck tyyppi alentaa jännitettä. Booster nostaa jännitettä ja kääntävä hakkuri kääntää jännitteen napaisuuden. Kaikista perustyypeistä on vielä monia alalajeja. Eristävät hakkurit käyttävät muuntajaa. Kondensaattoripumput tekevät jännitteen kääntämisen ilman induktanssia. Itsevärähtelevät hakkurit ovat sopivia kun jännitelähteen vaatimukset eivät ole kovin vaativia.

Booster-tyyppinen hakkuri nostaa jännitettä tehokkaasti.

Hakkurit8.jpg

Buuster-tyyppiselle hakkuri on tunnusomaista, että se kytkee tulojännitteen induktanssin kautta maihin. Kun kytkinelementti aukeaa, virta jatkaa kulkuaan diodin kautta kondensaattoriin ja kuormaan. Tarkoituksena on nostaa käyttöjännite korkeammaksi kuin alkuperäinen jännite.
Kickback- eli takapotkuhakkurilla muuntajaan sitoutunut energia siirtyy kytkinelementin avautuessa diodin kautta kondensaattoriin. Diodi tarvitaan, jotta kondensaattori ei purkautuisi takaisin muuntajan. Huomaa muuntajan käämien suunta.

Invertoiva eli jännitteen kääntävä hakkuri muuttaa tulojännitteen negatiiviseksi. Samalla jännitettä voidaan muuttaa. Kun kytkinelementti avautuu kelan virta jatkaa kulkuaan ja lataa kondensaattorin negatiiviseen jännitteeseen.

Kokoaaltosilta1.jpg

Eristävät hakkurit käyttävät muuntaa eristämään ja sovittamaan eri suuruiset tulo ja antojännitteet.
Tehokkain muuntajakytketyistä hakkureista on kokoaaltosilta. Siinä muuntajan virran suunta muuntajassa käännetään tehokkaasti neljällä kytkinelementillä. Kytkentä on sama kuin tutussa Graezin tasasuuntaajassa. Ainoa huono puoli monien osien tarve ja siksi tämä tehokas kytkentä ei ole kaikkien suosituin menetelmä.

Puoliaaltosilta1.jpg

Puoliaaltosillassa on korvataan kaksi transistoria kondensaattoreilla. Koska hakkurit toimivat suhteellisen suurilla taajuuksilla kondensaattorien kapasitanssi voi olla suhteellisen pieni. Puoliaatosilta on käytössä jokaisessa PC:ssä. Näissä 300-400W hakkureissa siltakondensaattorit ovat 220uF 400V. PC teholähteissä tarvitaan noin 600-800 voltin ensiöhakkuritransistorit. Fettien jännitekestoisuus loppuu noin 400-600 volttiin. Niitä ei PC teholähteissä käytetä. Puoliaaltosillan tehonsiirtokyky on puolet huonompi kuin kokoaaltosillalla samalla muuntajalla ja samalla taajuudella. Monet suositut hakkurimikropiirit tukevat komplementaatista tehokytkintä.

Eristetyt hakkurit voivat toimia yhdelläkin transistorilla, mutta muuntajasta saatava teho pienenee edelleen noin 60% verrattuna puoliaaltosiltaan. Jos hyötysuhde ja muuntajan koko ei ole kovin tärkeitä tällä tavalla saadaan yksinkertaisempi rakenne. Kuvassa ei ole esitetty yksityiskohtia, joten aivan näin yksinkertainen ei ole yksinkertaisinkaan verkkohakkuri.

Hakkuriperiaate3.jpg

Yleismaailmalliset tehohakkurit tarvitsevat 110/230 voltin vaihtokytkimen, jonka joku alkuperäisen PC teholähteen suunnittelija on ovelasti keksinyt.

110_230.jpg

Täysiaaltosilta ja puoliaaltosilta kääntävät virran suunnan jokaisella puolijaksolla, muuten muuntaja kyllästyisi. Jos muuntaja kyllästyy, sen magneettivuo ei enää kasva Ilman magneettivuon muutosta ei synny toisiojännitettä (Maxwellin laki).
Induktanssi on laite joka varastoi energiaa virran muutoksen ja induktanssin määräämässä suhteessa. Jos vuo ei muutu, energiaa ei voi varastoitua ja laite ei ole enää induktanssi vaan pelkkä kuparilanka.
Muuntajan induktanssi romahtaisi, ensiövirta kasvaisi moninkertaiseksi ja hakkurin toiminta loppusi. Alla olevassa kuvassa teho siirretään muuntajan toisioon kytkinelementin johtaessa ja diodin D1 johtaessa. Virran katketessa induktanssiin L sitoutunut energia jatkaa kulkuaan D2 kautta. Tässä yhdellä transistorilla toteutetussa hakkurissa pitää muuntajan magneettivuo kääntää takaisin jokaisella jaksolla. Kun kytkinelementti Q avautuu, voi virta jatkaa kulkuaan diodin D3 kautta. Vastakkainen virta nollaa muuntajaan varastoituneen magneettivuon. Epäkohtana on vaatimus kytkinelementin kaksinkertaiseen jännitteeseen verrattuna puoliaaltosiltaan. Tähän on keksitty parannus ns. aktiivisella clampilla. Siinä kondensaattori varastoi jännitteen ja toinen transistori kytkee kondensaattorin maihin. Energiaa kondensaattorista palauttaa muuntajan magneetti vuon nollille. National Semiconductor myy tarkoitukseen sopivia mikropiirejä.

Hakkurien perustaajuuden valinta

Hakkuriperiaate2.jpg

Hakkurien perustaajuudet alkavat 20 kHz:stä, joka on juuri kuulotaajuuden yläpuolella. Mitä suurempi kytkentätaajuus on, sitä pienempiä suodinpiirin kelan ja suodatuskondensaattorin tarvitsee olla. Toisaalta transistoriin tulee kytkintilanteissa tulee häviöitä, jotka rajoittavat suurinta käyttökelpoista toimintataajuutta. 250 kHz taajuudet ovat normaaleja nykyisissä hakkureissa. 500 kHz taajuudella toimivat hakkurit ovat jo harvinaisia.
Johtojen pintavirta (skin)-efekti suurilla taajuuksilla vaatii käämien rakenteelta monisäikeisyyttä. Hakkurin paksut johdot korvataan usealla rinnakkaisella käämillä. Hakkurimuuntajien häviöt muuttuvat ratkaisevasti 100-500 kHz taajuuksilla. Siksi häviötä ei voi laskea etukäteen tietämättä muuntajan häviöitä taajuuden funktiona. Jos taajuudesta riippuvia häviöitä ei olisi varmaan kaikki käyttäisivät GHz hakkureita. Ainakin kondensaattori ja induktanssit olisivat pieniä.

Hakkuriperiaate.jpg

Hakkuripiirin keksiminen

Ennen vuotta 1975 harva osasi tai uskalsi suunnitella hakkuriteholähteitä. Vain sotilas-, avaruus- ja vaativissa teollisuussovelluksissa oli varaa käyttää niitä. Periaatteessa tekniikka tunnettiin hyvin, mutta niiden soveltaminen käytäntöön vaati suunnittelijalta paljon tietoja. Suunnittelijoita vaadittiin silloin ja vaaditaan nykyäänkin nopeasti toimivia ratkaisuja. He suunnittelivat mieluummin perinteisiä lineaarisia teholähteitä kaikenlaisiin tarpeisiin. Hakkurit sisälsivät monia tuntemattomia tekniikoita. Eiköhän asia ole vieläkin näin?
Clive Sinclair oli nero joka jo vuonna 1964 suunnitteli hakkuriteholähteistä ja digitaalisia vahvistimia. Sinclair Radionics Ltd:n X-10 -niminen D-luokan vahvistimen piti antaa 10W audiotehoa teknisten tietojen mukaan. Tosiasiassa se antoi vain muutaman watin.
Myöhemmin Sinclair suunnitteli tietokoneita ja autoja.

Nokialla käytimme tyristoritekniikalla toimivia hakkuriteholähteitä vuodesta 1972 lähtien. Sarjakondensaattorien pitää toimiva voimansiirtolinjoissa ilman ulkoista teholähdettä. Niiden linjavirta vaihtelee 50A- 100kA. Tästä tehdään vakavoidut jännitteet +5,+12, -12, +24 ja 200V. 2000W teholähteen perusvakavointi tehtiin tyristoripohjaisella virtamuuntajalla. Nämä hakkurit ovat toimineet ilman yhtään häiriötä 35 vuotta Brasilian viidakoissa ja Kanadan pakkasissa.

Hakkuri11A.jpg
Kuva 6 Suuritehoinen hyvällä hyötysuhteella toimiva virtalähde. Kirjoittajan kytkentä vuodelta 1972. Liipaisupiri sisältää 200V zenerin, 1A aputryristorin ja kokoaaltotasasuuntaajan. Hakkuri0A.jpg

Talvella Brittiläisessä Kolumbiassa on –52C lämpötiloja aivan normaalipäivinä

Kuva 6A 1000MVA Sarjakondensaattoripariston maadoittaminen ennen huoltotöitä . Eristepilarien läpi kulkee valosignaalit ja hydraulinen teho paineakkuihin

Hakkuri1A.jpg

Amerikkalainen Bob Mammano kehitti Silicon General yhtiössä mikropiirin, joka mullisti teholähdesuunnittelun. Hakkuritekniikka ei ollut tuntematonta, mutta se oli harvinaista 1970 luvun alussa. General Electric yhtiön viidestoista tyristorikäsikirja vuodelta 1972 luettelee neljä sivua hakkuritekniikkaa käsitteleviä tieteellisiä kirjoituksia vuosilta 1969 … 1971. Missään ei kuitenkaan mainittu sanallakaan hakkurimikropiireistä. Teoriassa hakkurit tunnettiin, mutta tavallisissa laitteissa niitä ei esiintynyt.

Mammanon uusi hakkuripiiri SG1524 sisälsi
• säädettävän pulssigeneraattorin
• kaksi virhevahvistinta, virta – ja jännitesäätöä varten
• kaksi 180 vaihe-erossa olevaa vapaasti kytkettävää ohjaustransistoria
• vertailujännitelähteen +5V
• Pulssinleveysmodulaattorin (PWM)
• Käyttöjännitealue oli 10-40V
• Käyttölämpötila-alue –55C … + 125C

Hakkurit6.jpg

Tällä komponentilla oli mahdollista luoda hakkuriteholähde, jossa ei ollut tuntemattomia tekniikoita. Nyt pätevä elektroniikkasuunnittelija pystyi rakentamaan edullisen ison, pienihäviöisen teholähteen.
Abraham Pressmanin hakkurikäsikirja vuodelta 1977 antoi suunnittelijoille hyvät lähtötiedot hakkuriteholähteiden suunnitteluun. Hän kirjoitti ”Hakkuriteholähteet ovat mullistamassa teholähdeteollisuutta. Niillä on pienemmät häviöt, pienempi koko ja pienemmät kustannukset kuin vastaavan tehoisella sarjasäädetyllä teholähteellä”. Tämä on totta edelleenkin. Hakkurien suunnittelua ei vieläkään opeteta kouluissa yksityiskohtaisesti, koska opettajille ei sitä ole opetettu. Harvat elektroniikkasuunnittelijat ovat itse suunnitelleet yhtään hakkuriteholähdettä. Se on edelleenkin vaikeaa, mutta yritän antaa tietoja miten se on mahdollista.

Hakkuri2A.jpg

Tavallisten virtalähteiden suunnittelu on niin helppoa, että sen pystyy tekemään huppu päässä. Sanonta tulee siitä, että armeijassa koottiin ase huppu päässä, jotta se menisi selkärankaan.
Diplomityöntekijäni Tom Nokialla teki kerran virtalähteen huppu päässä. Kun Tomi kytki sen verkkoon, laite sanoi suurella äänellä poks. Tom oli unohtanut verkkomuuntajan pois.

Hakkurit7.jpg

Kuva 7 Lineaarisesta verkkolaitteesta ei pidä unohtaa eristysmuuntajaa, muuten se sanoo poks.

SG1524 on hakkuripiirien Aatami ja Eeva

Kaikissa teholähteissä tarvitaan referenssi, joko ulkoinen tai sisäinen. SG1524 piirillä on sisäinen 5V referenssijännite. Se antaa vakavan vertailujännitteen 6-40 voltin käyttöjännitealueella. Tämä on hyvä saavutus vielä nykyäänkin. Piirin käyttölämpötila-alue on –55 .. +125C. Sisarpiirit SG3524 ja SG2524 toimivat 0-.. +70C alueella. Suurin ero on piirien koteloinnilla. Normaali lämpötila-alueella riittää edullisempi muovikotelo. SG1524 toimitetaan DIP16 tai SOIC16 kotelossa. Itse olen käyttänyt keraamisia piirejä vain sähkövoimansiirron tuotteissa. Esim. Kanadassa on ulkolämpötila lähellä suunnittelurajaa –52 C. Vaikka Nokialla teimme monimutkaisia kokeita molemmilla kotelotyypeillä, emme koskaan pystyneet löytämään minkäänlaista eroa hinnan ja kotelomateriaalin lisäksi. Samoihin olosuhteisiin toimitimme Suomen ensimmäiset CMOS piirit muovikoteloissa vuonna 1971. RCA kehitti CMOS piirit USA:n kuulentoja varten kuusikymmentäluvun lopussa.
SG1524 oli ensimmäinen digitaali- ja analogiatekniikkaa käyttävä mikropiiri. Nykyään näitä sekatekniikkaa (mixed-mode) käytäviä mikropiirejä tehdään jatkuvasti, mutta vuonna 1975 se oli sensaatio.
Muut valmistaja alkoivat matkia Silicon Generalia. Bob Mammano siirtyi Texas Instrumentsin palvelukseen. TI toi markkinoille uudenmallisen TL494 piirin, jota käytetään edelleen PC tietokoneiden ATX-teholähteissä.

Hakkuri3A.jpg

Motorolan MC3420 on melkein SG1524 kopio. Texas Instruments paransi alkuperäistä piiriä siten, että sen kello-oskillaattorin pystyi synkronoimaan ulkopuoliseen taajuuteen ja siihen tuli säädettävä kuollut aika- tulo. Signetics toi vastaavan NE5560 piirin ja Ferranti ZN1066.

Hakkurit8.jpg

Kuva 9 Hakkureiden isoisä on SG3524. Nykyisin käytetään eniten yhteensopivaa TL494-piiriä

Kun pää oli saatu auki, keksittiin parannuksia. SG1525 pystyi ohjaamaan alkuperäisen 100mA asemasta 200mA kuormaa. Samoin referenssin tarkkuus parani alkuperäisestä neljästä prosentista yhteen prosenttiin.
Motorola paransi oman MC3420 piirinsä 50mA antotehoa 250 mA:iin uudella MC3421 piirillään. Texas Instrumentsin uusi piiri TI497 pystyi toimimaan kolmessa eri toimintatavassa; jännitteen nosto, jännitteen lasku ja jännitteen kääntö. Hyötysuhde oli jo 85%. TI497 on pienemmässä kahdeksan nastaisessa kotelossa, mutta sillä pystyy ohjaamaan vain yhtä tehoastetta TL494 push-pull asteen asemasta.

Hakkuri5A.jpg

Alkuperäiset hakkurit ovat tehty ohjaamaan tehotransistoreita. Fetit ja IGBT-transistorit vaativat suuren hilakapasitanssin purkamiseen ja lataamiseen toteemipaaluohjaimen. Unitrode on tehnyt UC384x –sarjan tätä tarkoitusta varten.

Hakkuri6A.jpg

Tämä piiri on tehty erityisesti verkkojännitehakkureita varten yhden transistorin pääteastetta varten.
Piirissä on jännite ja virtasäätö. Koko piirin virrankulutus on 0,5mA, jolloin piirin saa käyntiin verkkojännitteellä ilman suuria tehohäviöitä. Piirin viimeisellä numerolla määritellään alijännitetaso UC3844 se on 12V. Korealainen Samsung ja ameríkkalainen Fairchild tekevä samaa piiriä KA3844 tyyppisenä.

Hakkurit7A.jpg

Motorolan kahdeksannastainen MC34063A toimii 100kHz ja sen avulla voi yksinkertaisen hakkurin ilman ulkoista transistoria 1.5A saakka 3-40 voltin käyttöjännitteelle. Piirissä on myös valmis virtarajoitusilmaisin ulkoisen virranmittausvastuksen avulla. Ulkoisella transistorilla maksimivirtaa voidaan nostaa. Tämäkin piiri on tehty bipolaaritransistorille, ei feteille.

Suojauspiirit

Toinen ryhmä tehonsyötön mikropiireissä on valvontapiirit. Silicon General SG1543 on monipuolinen valvontapiiri. Se toimiin annon sorkkarautapiirinä ja siinä on ali- ja ylijännitetunnistus. Se pystyi lisäksi valvomaan verkon tulojännitettä, ylivirtaa ja toimimaan virtarajoituksena. Sorkkarauta laittaa annon oikosulkuun jos jännite nousee yli asetellun jännitealueen.
Motorolan MC3423 piiri on ylijännitesuoja ja siinä on myös säädettävä viive jonka avulla pyrittiin estämään väärät, peruuttamattomat sorkkarautaliipaisut.
Texas Instrumentsin vastaus oli TL430 ja TL431 piirit, jotka toimivat säädettävän rinnakkaissäätiminä.
Nämä piirit ovat pelkkiä lineaaripiirejä. Lineaaripiirejä valmistettiin ja vuosikausia ennen sekasignaali-PWM-piirejä. Normaalit lineaariset regulaattoripiirit kuten Faircildin uA7800 sarja ja uA7900 sarja ovat olleet laajassa käytössä ainakin 60-luvulta saakka. Fairchild oli muutamia vuosia sitten tuntematon mikropiirivalmistaja, mutta nykyään se tekee kaikkien edullisemmat vakiomikropiirit.

Uusia toimintatapoja

Kaikki PWM piirit ennen 1980-lukua olivat jännitetoimintamuotoisia ohjaimia. Silloin suunnittelijat alkoivat ymmärtää virtaohjauksen paremmuuden määrätyissä sovelluksissa. Virtaohjauksessa syöttöjännitteen muutos ei vaikuta antojännitteeseen. Pienet, virtaohjatut teholähteet on helppo yhdistää yhdeksi suuremmaksi virtalähteeksi. Virtaohjatussa hakkureissa voidaan virran säätö tehdä jokaisella puolijaksolla ja teholähteen mittaaminen oikosulussa ja ylikuormatapauksissa on helpompaa.
Unitrode, joka on nykyään osa Texas Instrumentsia, kehitti UC1842 ja UC1846 mikropiirit. Ne toteutettiin virtapohjaisena PWM-ohjausperiaatteella.
Virtaohjattu PWM on hieman monimutkaisempi toteuttaa, mutta sitä käytetään monissa DSP-ohjatuissa tehopiireissä. Erityisesti National Semiconductor valmistaa näitä piirejä.
International Rectifier on kehittänyt nopeita tehofettejä, joiden avulla voidaan rakentaa hakkureita joiden toimintataajuus on useita satoja kilo- tai jopa megahetzejä. IR:n mukaan nopeat fetit ja IGBT transistorit ovat olleet ratkaisevia keksintöjä hakkurivirtalähteiden kehitykselle. Fetit sopivat alle 600 voltin jännitteille ja alle 50A virroille. Suurilla jännitteillä transistorit ovat hallitsevia. Esimerkiksi PC virtalähteissä käytetään melkein yksinomaan transistoreita vaikka fettejä saa 600 volttiin saakka. IGBT :ssä on fet tuloaste ja transistori anto. Näillä päästään aina 1600 voltin jännitteisiin saakka. Pienillä jännitteillä ja alla 50 A virroilla fet on pieni häviöisempi kuin transistori tai IGBT.

Tehoelektroniikka ei ole nappikauppaa

Hakkureissa tarvitaan ohjauspiiri, tehoaste ja magneettinen virtavarasto eli induktanssi. Hyvä hakkuri ei ole yksinkertainen suunnitella, eikä rakentaa, mutta se on välttämätön osa nykyajan laitteita. Teholähde tarvitaan melkein kaikissa sähköissä laitteissa ja se ei ole mitään nappikauppaa. Teholähteitä valmistetaan vuonna 2006 7000 miljoonan euron arvosta. Itse piiri on kuitenkin halpa.
Tyypillinen PWM piiri, Faichildin KA7500C, maksaa vain 0.37 euroa. KA7500C kuulostaa Samsungin tyyppinumerolta, joka on taas samanlainen kuin SG3524. Itse olin töissä Nokian kondensaattori tehtaalla 15 vuotta. Suunnittelin siellä tyristorisäätimiä ja sarjakondensaattorilaitteistoja voimansiirtojärjestelmiin. Pienin teho oli 30MVA ja suurin 1000 MVA. Isoimmat laitteistot olivat noin 300 metriä pitkiä. Suurin käyttöjännite oli 750 kV. Eräs järjestelmä maksoi 50 miljoonaa 1970 vuoden markkaa.
Vaikka teholähteet eivät ole niin mielenkiintoisia kuin jotkut uudet mikroprosessorit, niiden taloudellista merkitystä ei kannata aliarvioida. Monissa laitteissa teholähteet maksavat puolet järjestelmän kustannuksista.

Hakkuripiirien toimintatavat

Hakkurit8A.jpg

Jos hakkurin antojännite on alempi kuin tulojännite, se on step-down typpiä eli Buck tyyppia. Jos jännite on suurempi, hakkuri on Step-up tyyppiä eli Boost- tyyppiä.

Hakkuripiirin yksityiskohtainen toiminta

TL494 piirin toiminta

TL494 on kiinteätaajuinen pulssinleveysmodulaatiolla ( PWM) toimiva säätöpiiri. Sen modulaatiotekniikka on melkein samanlaista kuin D-luokan vahvistimella. PWM-piireissä käytetään saha-aaltogeneraattoria, kolmiaaltogeneraattorin asemasta.

PWM oskillaattoripiirin taajuus voidaan laskea kaavasta.
f =1.18/(Rt *Ct) (kaava 5)
Taajuuden f laatu on kHz, kondensaattorin Ct kapasitanssin arvo annetaan uF ja vastuksen Rt arvo kilo-ohmeissa. Käytännössä taajuus on 20k-500kHz, Ct 470pF-10uF ja vastus Rt 1-100kohmia. Esim. 22 kilo-ohmia ja 1nF antaa 50 kHz oskillaattoritaajuuden. Mittaamalla taajuus oskilloskoopilla nastasta 5 tiedetään onko piiri toiminnassa ja mikä on sen toimintataajuus. Nastassa 12 pitää olla 5 volttia jännitettä ja nastasta 3 näemme helposti mitenkä piiri toimii. Onko nasta kolme maissa vai 5 volttia koko ajan? Entä nasta 13, onko sen ohjaus 5 volttia vai estääkö joku suojaus piirin toiminnan (0V)?

Hakkurit9.jpg

TL494:n kolmioaaltogeneraattorin jännitettä verrataan ohjauspiirin jännitteeseen. Kun kolmioaaltogeneraattorin jännite on suurempi kuin ohjausjännite, pääteasteen transistori kytketään päälle. Annossa oleva kiikku (flip-flop) ohjaa annon vuorotelleen jompaankumpaan transistoriin.

Ohjaussignaali

Ohjaussignaali saadaan kahdesta eri lähteestä. Kuollut aika -ohjauspiiristä ja virhevahvistimesta. Kumpi tahansa piiri voi estää annon toiminnan. Kuollut aikageneraattorin pitää estää jokaisella jaksolla pieni hetki pääteasteen toiminnan. Positiivinen ohjausjännite ( nasta 3), estää pääteasteen toiminnan.

Kuollut aika -generaattori

Kuollut aika -komparaattorin tarkoitus on estää molempia pääteastetransistoreita johtamasta yhtäaikaa. Jos kuollut aika -komparaattorin tulo on suoraan kytketty maihin, se estää pääteastetta toimimasta kun saha-aaltogeneraattorin jännite on alle 100mV. Huomaa, että tämä ei ole mikään kiinteä aika vaan kuollut aika riippuu saha-aaltogeneraattorin taajuudesta. Kuitenkin yli 150kHz taajuuksilla TL494 piirillä on vakio minimi kuollut aika 200ns. Kuollut aika on normaalisti noin 3% kokonaisajasta.
Jos tarvitaan suurempaa kuollutta aikaa, ohjausnasta 4 voidaan biasoida, jännitteenjakovastuksilla suurempaan arvoon. Minimiarvoa ei voi muuttaa.
Kuollut aika -ominaisuutta voidaan käyttää hyödyksi käynnistystilanteessa ja suojaustilanteissa.

Hakkurit10.jpg

Kuvan mukaisella kytkennällä saadaan aikaan pehmokäynnistys, joka kestää noin 10 sekuntia. Diodia D1 ei tarvita, jos normaalitilan kuollut aika on perusarvo (100mV). Pehmokäynnistys estää teholähdettä toimimaan täydellä teholla käynnistyksen aikana. Esimerkiksi kuljettimet kannattaa käynnistää pehmeästi kuten hissit. Monet hehkulamput kannattaa myös käynnistää pienemmällä teholla ennen kuin hehkulanka on kunnolla päässyt lämpiämään.

Virran rajoitus jokaisella puolijaksolla.

Aikaisemmin mainittiin jaksokohtaisesta virranrajoituksesta. Ala kuvassa on virtarajoituksen peruskytkentä.

Hakkurit111.jpg

LM3524 piirillä toteutettu hakkurikytkentä.

Hakkurit9.jpg

Induktanssi ja kela

Image13.jpg

Muuntajan ja induktanssin tehtävä on varastoida hakkuriteholähteissä jakson aikana tarvittava energia induktanssiin virran avulla. Sopivilla kytkennöillä varastoitunut energia siirretään kuormaan erisuureksi virraksi ja jännitteeksi kuin alkuperäinen.
Kaksi yksinkertaista kaavaa määrittelee tehon, energian, virran ja taajuuden hakkuri-induktanssissa.

E = 0.5*I²*L (kaava 6)
jakson aikana kelaan varastoitunut energia riippuu virrasta ja induktanssista
E = P/f (kaava 7)
teho jaettuna taajuudella on jakson energia

Jos komponentti kehittää virran muutoksella vastakkaisen jännitteen niin siinä on induktanssia. Induktanssin yksikkö on Henry (H) = Vs/A. Kela on tekninen laite, joka tehtävänä on kehittää induktanssia. Sähkövoimatekniikassa isoille keloille on annettu nimi reaktori, koska niiden tehtävänä on kehittää induktiivista reaktanssia.

Uind = -L*di/dt ( kaava 8)
Kelan yli syntyvä jännite riippuu induktanssista ja virranmuutoksesta.

L = 0* r*Aeff/ leff ( kaava 9)
Induktanssi riippuu kelan sydänmateriaalista, muodosta, kierroksien määrästä.

Kaava 9 on yksinkertainen, mutta käytännössä vaikea määritellä. Muutamalla muistikaavalla voit arvioida helposti kelan.

• Suoran johdon induktanssi on noin 0.7uH/m
• Ilmakelat ovat 0-2H
• Monikerroskelat 10nH-10 H
• Ferriittisydämminen induktanssi 1H –10mH
• Iso muuntajasydämminen induktanssi 1mH -1H
• Releiden käämien induktanssit 100mH-1H

Induktanssin muodolla ja induktanssilla on seuraava yhteys
L = Al*N² ( kaava 10)

Kun kelan Al-arvo on kerran mitattu, on helppo laskea kierrokset uudella, eriarvoiselle induktanssille, samalla kelasydämellä.

N=√(L/Al ) ( kaava 11)

Puhdasta induktanssia ei esiinny missään. Jokaisessa induktanssissa on mukana myös häviöitä, jotka kuvataan resistanssilla R .
Resistanssin ja induktanssin vaihtovirtavastus impedanssi Z, pitää laskea vektroreina.
Z=√( X²+R²) ( kaava 12)
Pelkän induktanssin reaktiivinen impedanssi XL riippuu taajuudesta ja induktanssista
Reaktanssi XL = 2**f*L ( kaava 13)
Suuremmilla taajuuksilla kelan kapasitanssi tulee määrääväksi impedanssia laskettaessa. Kun induktanssin ja kapasitanssin impedanssi on yhtä suuri, tätä taajuutta sanotaan resonanssitaajuudeksi.
Kelan ohmiset vastukset kuumentavat kelaa myös tasavirralla. suuremmilla taajuuksilla kelan magneettihäviöt alkavat vaikuttaa häviöihin sen rakenteen mukaan. Skin-ekfekti nostaa kelan ohmista vastusta suuremmilla taajuuksilla.
Kelan hyvyys riippuu toimintataajuudesta
Q= XL/R ( kaava 14)
Q on laaduton suure. Sitä käytetään hyväksi resonanssipiireissä.
Taajuuden kasvaessa kelan hyvyys pienenee.
Käytännössä voidaan saada seuraavia maksimiarvoja.
• Ilmakelan hyvyys 400 saakka.
• Ferriittikelan hyvyys 150 saakka.
• SMD kelat 60 saakka

Simple switcher on yksinkertainen hakkuripiiri

National Semiconductorin Bob Pease keksi helppokäyttöisen hakkuripiiriperheen. Simple switcher on nimensä mukainen. Itse mikropiirin lisäksi tarvitaan vain muutama peruskomponentti: induktanssi, Schottky-diodi ja kaksi kondensaattoria.

Image14.jpg

Piirin käyttö on niin yksinkertaista, että aloittelijakin onnistuu siinä. TO-220 kokoinen viisinapainen kotelo kestää 3 A ja 40 volttia. DIP8 mallit kestävät 1A. Hakkurit toimivat 260kHz toimintataajuudella, joten pienetkin kuristimet riittävät. Induktanssin varastoima energia E=0.5*L*I². Kun taajuus on suuri pienempikin induktanssi riittää ylläpitämän virtaa kun kytkin on auki. Valmistajan antamilla taulukoilla voi helposti valita kuristimen taulukoiden, kaavojen ja suunnitteluohjelmien avulla. Kaikki vastaukset ovat kuitenkin amerikkalaisten valmistajien tyyppimerkintöjä. Ne eivät paljon auta suomalaista suunnittelijaa. Käytännössä riittää kun valitset 100 H ja 3 A kuristimen. Tämäkään ei aina auta, kaikilla ei ole tietoja kuristimista, eikä tarvittavia mittalaitteita. Ota sormenpään kokoinen violetti ferriittisydän ja käämi sen ympärille 100 kierrosta noin millin paksuista lankaa. Laita kuristin kytkentään ja lisää kuormaa. Tarkkaile kuristimen yli vaikuttavaa jännitettä ja kuristimen ja hakkuripiirin lämpötilaa.

Hakkurit15.jpg

Diodi voi olla Schottky tyyppinen tai Fast Recovery tyyppinen. Schottky diodeita on yleisesti saatavavilla 20 voltin sarjat 1N5818 (1A) 1N5820 (3A) ja 40 voltin sarjat 1N5819 ja 1N5822.
Schottky diodit tuntee pienestä päästöjännitteestä.
Fast Recovery diodeilla on pieni liitoskapasitanssi ja niiden dynaamiset häviöt suurilla nopeuksilla ovat vaikuttavat siihen, että niitä käytetään erittäin suurilla hakkurinopeuksilla. MUR105 (1A, 50) ja MR831 (3A 100V) ovat suosittuja tyyppejä.
Valitse ensin kahdesta vaihtoehdosta, kiinteä antojännite tai säädettävä antojännite. LM2577-ADJ on säädettäviin jännitelähteisiin tarkoitettu piiri ja LM2575-12.0, LM2575-5.0, LM2575-3.3 ovat kiinteän jännitteen hakkuripiirejä 3A virtaluokassa.
LM2675-12.0, LM2675-5.0 ja LM2675-3.3 ovat pienempiä DIP/SOIC8 kotelossa olevia 1A hakkuripiirejä. Kaikissa piireissä on 1.25V sisäinen referenssi. Kiinteän jännitteen piireissä on sisäiset mittausvastukset. Säädettävissä hakkuripiireissä pitää säätövastukset laittaa pirin ulkopuolelle.

Hakkurin kelan määritteleminen

Kelaan pitää varastoitua tarpeeksi energiaa yhtä jaksoa varten maksimivirralla ja lyhyimmällä pulssisuhteella Dmin. Kelan mekaaninen koko ja hinta edellyttää valitsemaan mahdollisimman pienen kelakoon. Kelan mittoihin vaikuttaa kelan häviöt ja sen lämpeneminen.
Kelassa jakson aikana muuttuva virta Idelta ja kuorman maksimivirta Iload pitää olla pienempi kuin kelan kyllästymisvirta.

Isat > Iload + 0.5*Idelta ( kaava 15)
Idelta eli ripple ( hurina) virta valitaan noin 20-30% maksimivirrasta. Olisi hienoa jos sen voisi valita vaikka 1%, mutta tämän vaatimuksen toteuttavat kelat ovat harvinaisia, ja useimmiten niitä ei voi ostaa valmiina. Iso ripplevirta Ir vaatii paremman ESR-arvon suodatuskondensaattorilta.
Kelan tehohäviöt Pl voidaan sallia esim. 5% antotehosta
Pl = 0.05* Pout
Pl = I²*Rdc
Tästä saadaan kelan tasavirtavastus Rdc
Rdc = 0.05*Pout /I²

Ratkaisemalla L kaavoista 5 ja 6 saadaan kelalle minimiarvo.
L=(Dmin/f )* ( Vin- Vd – Vout)/Ir.
Vd on kytkindiodin päästöjännite. Se voidaan olettaa 0.5V Schottky diodeilla.
Esimerkki.
LM2575-5.0 toimii 260kHz taajuudella. Tulojännitteen maksimi on 28 V ja kuoman maksimivirta on 1 A. LM2575:n minimipulssisuhde on 0.3
Ir= 1A*0.3 = 0.3A
L= (0.3/260000)*(28V-0.5-5V) / 0.3A
L= 86uH
Kelan pitää sietää maksimivirtaa Isat= 1A +0.5* 0.3*1A = 1.15A
Rdc = 0.05*(5V*1A) /1A² = 0.25 ohmia.

Suodatuskondensaattorin laskeminen

Suodatuskondensaattorin C kapasitanssi pitää pystyä rajoittamaan antojännitteen vaihtelut dV sallittua pienemmäksi valitulla toimintataajuudella f ja maksimi ripple-virralla Ir.
C > Ir/ ( f*dV)
Kondensaattorin kapasitanssia ei yksistään riitä. Kondensaattoria valittaessa pitää tarkastaa sen impedanssi halutulla taajuudella.
ESR = dV/dI ( kaava 20)
Kondensaattorien rakenteet vaihtelevat. Sanyon OS-CON elektrolyyttisarja sarja on tunnettu pienestä ESR-arvostaan. Jos kondensaattori on liian pieni annossa näkyy liian suuret jännitevaihtelut normaalitoiminnassa. Isompi kondensaattori maksaa enemmän ja vie enemmän tilaa. Joskus kannattaa laittaa useampi kondensaattori rinnan jotta saataisiin tarpeeksi matala ERS.

Kelan laskeminen hakkurikytkennöissä

Kelan laskemiseen käytetään muutamaan kaavaa.
Uout on antojännite
Uin on tulojännite
Iout on antovirta
f on käyttötaajuus
Käyttösuhde DC = (Uout-Uin)/Uout (kaava 14)
Kelan tehollinen virta It=Iout* Uout/Uin (kaava 15)
Kelan maksimivirta Imax = 2* It (kaava 16)
Kelan induktanssi Ln = DC*Uin/(0.2*Imax*f) (kaava 17)

Esim. LM2577-ADJ hakkuripiirillä nostetaan jännitettä viidestä voltista kahteentoista volttiin.
Maksimi kuormitusvirta on 0.8A, LM2577-ADJ toimii 52 kHz:llä.
Käyttösuhde DC= (12-5)/12 = 0.583
Kelan virta It = 0.8A*12/5 = 1.92A
Kelan maksimivirta Imax = 2*It = 3.84A
Induktanssi Ln= 0.583*5/(0.2* 3.84*52000) = 72,9H

Valitaan kela jonka induktanssi on 100H ja virta 2 A

PC teholähteen liittimet

PC teholähdeliittimet ovat muuttuneet jatkuvasti. Ensimmäisten PC:n mikään liitin ei sovi nykyiseen teholähteeseen. 3.5” levykeasemakin on jo poistumassa. PC:n emolevyn liittimessä oli pitkään kaksi liitintä, jotka sai helposti laitettua väärin emolevylle. Intel saneli 1990-luvulla emolevyn tekniikan ja toi 20-nastaisen ATX-normin omiin emolevyihinsä.
Uudemmassa ATX-2 normissa on 24-nastainen emolevyliitin. Lisäksi prosessorilla ja näytönohjaimella pitää olla oma teholiitin. Alkuperäisen PC:n 100 watin teholähde muuttui kiintolevyn myötä XT:ksi ( Extended Power) 150W. Nykyään 450 W taitaa olla normaali teholähteen mitoitus. Muistin virkistämiseksi, silitysraudan teho on 1000 W ja noin huimaavaa kuormaa ei kodeissa montaa minuuttia pidetä päällä. SATA-kiintolevyjen teholiitin on tulossa myös optisten asemien liitännäksi. PC teholähteiden hinnat ovat uskomattoman edullisia 0.1 euroa/watti.

Image16.jpg

Hakkurien korjausohjeet

Jokaisella pitkään ammattimiehenä toimineella on joukko ammattiniksejä, joita ei mielellään paljasteta kilpailijoille. Koska vain ani harva suomalainen haluaa tai osaa korjata hakkurivirtalähteitä, ei näiden niksein paljastaminen ole ammattiniksien paljastamista.

Sääntö numero 1:

Opi korjausmenetelmät ammattimiehen toimintaa seuraamalla. Jos sinua kohtaa onni päästä tarkkailemaan ammattimiehen työtä, älä hengitä, älä yskäise vain ota oppia kaikilla aisteilla. Opettaja ei osaa kertoa asioita, joita itse näet oikeassa työssä. Katso mitä mittalaitteita ammattimies käyttää, mitä työkaluja tarvitaan, mitä tarvikkeita on saatavilla, onko käytössä mikroskooppia, luuppi, siirrettävää loistevaloa? Mitä mittalaitteita tai välineitä ei käytetä. Minkälaisia juottimia käytetään, onko juottimessa useita teriä. Onko kytkentäkaavioita käytettävissä? Tehdäänkö työ asiakkaan tiloissa vai työhuoneessa? Onko varalaitteita käytössä? Miten tehdään korjausselitys ja asiakasraportti? Miten lähdetään liikkeelle? Onko asiakkaan vikaselostuksia käytettävissä? ”Rario ei kuulu” –lappu ei vielä paljon kerro. Onko hiirenpesiä laitteessa? Onko laitteita jätetty sateeseen avolava-auton lavalle viikkokausiksi? Puuttuuko laitteista kaikki tarvittavat apulaitteet ja kaapelit?
Miten hankitaan varaosat? Onko niitä omassa varastossa vai hankitaanko ne aina vian tarpeeseen? Miten käsitellään asiakkaita kun varaosien toimitusaika on pitkä?
Vain hölmöt oppivat omista erehdyksistään. Opi toisten erehdyksistä ja pyri välttämään niitä. Ihmiselämä on liian lyhyt kokemaan kaikki erehdykset. Kokemusta et saa ilman omaa työtä. Simulaattorilla voi saada selville mikä asia ei toimi, prototyypillä voit testata toimiiko se.

Hakkurit17.jpg

Sääntö numero 2:

Lähesty korjattavaa kohdetta, kaukokorjaus henkien avulla ei ole helppoa. Laitetta on helppo pitää hyllyssä, mutta se ei siellä parane. Ota se esille, siinähän ei välttämättä ole mitään vikaa. Sinun pitää kuitenkin testata se.
Jos kysymyksessä on vaikea kohde, kuten hakkuriteholähde, älä pelkää, laite ei voi mennä huonommaksi. Ainakaan se ei parane itsestään hyllyssä. Valohoito auttaa vain ihmisiin.
Jos laite on asiakkaan tiloissa, tee siellä pikatesti, käyttövirheet ovat yleisiä. Joku työntekijä on voinut sanoa, että laite ei toimi, kun häneltä on kysytty miksi käskettyä työtä ei ole tehty. Jälkeenpäin työntekijä voi vannoa, että ainakaan silloin kun hän sitä kokeili, laite ei toiminut. Tähän auttaa vikakirja. Nokialla pidin jokaisen automaattikoneen vieressä vikavihkoa. Jos laite meni rikki, työntekijä ei saanut tulla kysymään apua, ennekuin vika on kirjattu vikavihkoon. Useimmat työntekijät olivat huonoja kirjoittajia ja mieluummin lukivat miten edellinen vika on korjattu. Viat melkein loppuivat.

Sääntö numero 3:

Katse, tunnustele ja kuuntele. Käytä kaikkia aistejasi. Näkyykö mustia tai ruskeita komponentteja. Sammuta laite ja kokeile onko jotkut osat lämpimiä? Haiseeko laite? Kuuluuko ritinää? Sammuta radio ja muut häiriölähteet ja kuuntele uudestaan. Sammuta valot, näkyykö sinistä koronaa? Onko laitteen pohjalla sulanutta materiaalia?

Viiden sekunnin sääntö.

Jos pystyt pitämään sormeasi viisi sekuntia jäähdytyselementillä, lämpötila on alle 85C ja jäähdytys on suurin piirtein normaali. Jos mitattava kohde on liian kuumaa viiden sekunnin testiin, kostuta sormeasi syljellä ja kosketa kohdetta. Jos kosteus häviää nopeasti, kohde on noin 100 C. Jos kosteus kiehuu heti, lämpötila on 140 C. Paras sammuttaa laite, ennekuin puolijohteet rikkuvat.
Kohtuullisen hintaisia kosketuksettomia lämpötila-antureita on nykyään saatavilla autotarvikekaupoista. Myös muutamat Web-kamerat toimivat infrapuna-alueella. Kokeile oma kameraasi pimeässä.
Aikaisemmin mädäntyneen kananmunan haju paljasti viallisen seleenitasasuuntaajan. Räjähtänyt elektrolyyttikondensaattori levittää myös ominaishajuaan, jota ei helpolla unohda. Elektrolyyttikondensaattori levittää sisällyksensä sateena ympäristöönsä.
Avaa laitteen pohja ja tuki piirilevyä tarkasti luupilla. Näkyykö tehotransistorien lähellä ruskeita kohtia? Esimerkiksi Telelesten antennivahvistimen korjaus oli helppoa, piti vain vilkaista piirilevyn juotospuolta. Jos päätetransistorin ympärystä oli ruskea, kannatti heti vaihtaa se ja sitten vasta aloittaa testaus. Korjasin pääteasteen toimintapistettä neljäsosateholle, sovittamalla edellisen asteen paremmin. A20 luokan vahvistimet alkoivat toimia. Näitä antennivahvistimia rakennettiin tämän jälkeen vain ulkoväriä muuttamalla ainakin viisitoista vuotta.

Sääntö numero 4:

Seuraa tehoa. Saako laite lainkaan käyttöjännitettä? Toimiiko virtakytkin? Onko sulake ehjä? Onko tasasuuntaja oikosulussa? Onko PTC-vastus ehjä. Tee mittaus verkkopistokkeesta laitteeseen päin vastusmittarilla. Tuleeko verkkojännite laitteen ensiöpiiriin?
Entä toisiopuolelle? Muutaman kerran harjoittelemalla osaat tehdä pari, kolme jännitemittausta, jolla selvität on laitteessa on ongelma teholähteessä. Ensiö- tai toisiopuolen jännitteen löytää helposti tasasuuntaajan + navasta ja rungosta saat useimmiten maapotentiaalin. Kaikki mikropiirit ja transistorit tarvitsevat käyttöjännitteen. Jos käyttöjännitettä ei ole, selvitä miksi se puuttuu.
Laitteen virrankulutus paljastaa paljon laitteen toiminnasta. 90 prosenttia vioista on teholähdeosassa. Jos laite ei kuluta virtaa, muukin toiminta on huonoa. Vahvistin ei vahvista ilman tehoa, teholähde ei anna tehoa ilman tulovirtaa. Jos laitteessa on ledejä, tutki niiden merkitys. Useimmissa laitteissa on käyttöjännitemerkkivalo. Loistaako se epäilyttävän himmeästi?

Image18.jpg

Sääntö numero 5:

Seuraa kuormaa. Onko annossa tasajännite? Onko tasajännite pääteasteen tehotransistoreissa? Onko ohjaintransistoreissa sama jännite kollektorissa ja emiterissä.? Onko elektrolyyttikondensaattoreissa tasajännite? Puolita signaalitie ja etsi toimiva kohta. Kytke laitteeseen kuorma ja tutki miten laitteen tasajännitteet ja virran kulutus muuttuvat. Virtamittaukset eivät ole helppoja, mutta jos käytettävissä on virta- ja jännitemittarilla varustettu säädettävä muuntaja, seuraa virtaa ja vertaile sitä ehjään laitteeseen.

Sääntö numero 6:

Vaihda viallisia osia ehjään laitteeseen ja päivävastoin. Tämä menetelmä on ainoa mahdollinen monimutkaisissa järjestelmissä, missä ei ole sisään rakennettua vikadiagnostiikkaa. Kaikki osaavat korjata PC:n, jos käytettävissä on varaosia tai toimiva tietokone, jonka kanssa voi vaihtaa osia. Jos sinulla on toimiva laite, tee vertailevia mittauksia. Tämä neuvo ei ole aina hyvä. Kaverini Risto teki näin ja hardware virus rikkoi myös ehjän laitteen. Sen jälkeen Ristolla ja hänen ystävällään oli kaksi viallista tietokonetta ja minä sain moitteita huonosta kaukokorjausohjeista.

Sääntö numero 7:

Selvitä vian alkamisajankohta ja ympäristöolosuhteet. Koska laite meni rikki ja minkä toimenpiteen jälkeen laite ei enää toiminut. Esimerkiksi laitteeseen on asennettu uusi näyttökortti ja sen jälkeen kaikki pimeni. Onko laite ollut maaseudulla kesällä? Onko ukkosta ollut viimeaikoina? Jos epäilet ukkosta, tarkasta sulakkeet, teholähteen diodit, oikosulkuun menneet kondensaattorit teholähdeosassa. Jos laitteeseen liittyy antenni, tarkista antennipiirin muuntajat, ylijännitesuojat ja kondensaattorit. Ukkosen jäljet näkyvät silmillä. Jos ukkosvauriot ovat suuria, kannattaa harkita laitteen vaihtoa, korjauskustannukset voivat tulla liian kalliiksi, jos 30% osista joudutaan uusimaan. Tehtiinkö laitteelle joku toimenpide, jonka jälkeen laite ei toiminut? Tämän asian selville saaminen vaatii useimmiten kärsivällisyyttä ja monenlaisia kyselyjä. Kuka haluaa paljastaa, että hän kytki suuren teholähteen akkuun väärinpäin tai työnsi kiintolevyn virtalähdeliittimeen väkisin väärinpäin teholähdeliittimeen. Ihan yhtäkkiä laite vain lakkasi toimimasta. ”En tehnyt mitään” on normaaliselitys tällaisissa tapauksissa.

Hakkuri22.jpg

Sääntö numero 8:

Yleismittarilla saat pikakuvan laitteen käyttöjännitteistä, mutta sillä ei saa mitään kuvaa laitteen toiminnasta ja signaaleista. Käytä oskilloskooppia ja signaaligeneraattoria. Elektroniikkamiehelle oskilloskoopin käyttäminen pitäisi olla yhtä luonnollista kuin polkupyörällä ajo. Oskilloskooppi pitäisi olla aina puolen metrin päässä työpaikasta. Käytä 1:10 probea jos mahdollista, se ei tapa mitattavia signaaleita.
Kytkemällä signaali kondensaattorin avulla laitteen mittapisteisteisiin ja mittaamalla signaalia oskilloskoopilla saat kuvan onko laite täysin kuollut vai toimiiko esim. etuasteet, mutta ei pääteasteet. Siirrä signaalilähdettä tulopiiristä eteenpäin ja seuraa missä signaali ei näytä normaalilta. Voit myös lähteä liikkeelle kuorman päästä ja seurata koska signaali ei enää toimi.

Sääntö numero 9:

Suurin osa vioista on yksinkertaisia tehopuolijohteiden vikoja. Enimmäkseen tehotransistorit ovat oikosulussa. Älä lähde tutkimaan monimutkaisia vikoja, ennen kuin olet mitannut tehotransistorit ja tehodiodit. Ulostulon rinnalla oleva suojadiodi menee rikki, jos antoon kytketään akku väärin päin latausta varten. Tämä vika on hankala löytää. Kaikki osakokonaisuudet toimivat, mutta mitään ei tule ulos teholähteestä. Mittaa siis heti aina anto vastusmittarilla.

Hakkurit19.jpg

Sääntö numero 10:

Kytke signaali tai tasajännite laitteen antoon. Lähteekö laite toimimaan?
Härnää laitetta signaalilla. Tapahtuiko mitään?
Hakkuriteholähteiden korjaus on erittäin vaarallista ja vaativaa suoraan verkkojännitteellä. Jos sinulla ei ole eristysmuuntajaa, tee sellainen kahdesta samanlaisesta muuntajasta. Kytke esim. 230/12 voltin muuntajasta toisiot yhteen, saat alustavan suojan hengenvaaraa vastaan. Suojamuuntaja ei kuitenkaan alenna suuria jännitteitä. Verkkojännite on yhtä vaarallinen eristettynä ja eristämättömänä. Eristä mittauspöytä tarpeeksi paksulla matolla. Itse käytän paperikoneen viiraa. Sitä on helposti saatavilla kaupungissa, jossa viiroja on tehty yli 100 vuotta. Matto on helppo puhdistaa vanhoista johdonpaloista roskakoriin pudistamalla.
Suurjännitemittaukset yleismittarin johdoilla ja oskilloskoopin probella ei ole helppoa. Juuri kun katsot kuvaa tai mittarin asteikkoa, mittapuikon kosketus lähtee irti ja kytkee verkkojännitteen väärään paikkaan. Tuli tehtyä tuhoa enemmän kun korjausta.
Hakkuriteholähteissä käytetään yleisesti TL494 piiriä, joka toimii 12 voltilla. Kun ohjauspiiri saa käyttöjännitteen, se alkaa toimia. Uudet PC teholähteen pitää kytkeä päälle, kytke vihreä POWER On nasta maihin .
Voit mitata oskillaattoritaajuuden, kolmiogeneraattorin 67 kHz, nastasta 6 kondensaattorin navasta. Virhevahvistimen nastasta 3 näet kuinka vahvistin toimii. Viiden voltin referenssi nastassa 14 on myös helppo tarkistaa. Anto transistorit pitää mitata oskilloskoopilla. Usein ne menevät vielä ulkopuoliselle ohjaintransistoriparille. Nämä transistorit ohjaavat eristysmuuntajan kautta tehoasteen suurjännitetransistoreita. Koska sinulla ei ole verkkojännitettä voit ilman vaaraa seurata ohjauspulsseja tehotransistorin kannalle. Monta kertaa kun tehotransistori on mennyt oikosulkuun on sen kantavastus palanut ja ohjausmuuntajan ensiöpuolella oleva ohjaustransistori palanut. Kolmen vian selvittäminen tuntemattomasta hakkuriteholähteestä ei ole helppoa. Seuraavilla kerroilla se on kuitenkin rutiinia.

Sääntö numero 11:

Hanki laitteen huolto-ohje tai kytkentäkaaviot. Aikaisemmin laitteiden mukana tuli aina vähintään kytkentäkaavio, joskus jopa viritys- ja huolto-ohje. Nykyään sellaista ei voi edes rahalla ostaa. Kun takuuajan jälkeen kysyy huoltopaikkaa, saa vastauksen: me vain myydään näitä laitteita, meillä ei ole huoltoa.
Internetissä myydään joidenkin laitteiden kytkentäohjeita. Kannattaa ainakin harkita niiden hankkimista. Jos sinulla on kytkentäkaavio, voit alkaa systemaattisen vian haun. Jos laite ei ole kovin kallis voi hankkia toisen aivan samanlaisen laitteen ja pitää viallista laitetta varaosavarastona.

Sääntö numero 12:

Anna neuvoja muille heidän ongelmissaan. Vaikka et olisi aivan perehtynytkään toisen ongelmaan, kerro oma mielipiteesi viasta ja joitakin neuvoja miten itse selvittäisit ongelmaa. Jos sinulla on varaosia, kerro niistä. Tieto ei häviä sinulta jakamalla sitä muille.
Kun sinulla on ongelma, kerro ongelmasta samalle kaverille, jolle annoit neuvoja. Kuuntele toisen esittämiä kysymyksiä, joku niistä voi antaa sinulle vihjeen mitä et ole itse tullut ajatelleeksi. Minulle on monesti käynyt niin, että olen itse huomannut ratkaisun kun olen selostanut ongelmaa toiselle.

Sääntö numero 13:

Käytä optisia ilmaisimia. Kun laite käynnistyy, ehditkö mitata yhtä aikaa monesta paikkaa jännitteet ja signaalit? Ledin avulla saat suurpiirteisen tiedon jännitteestä ja taajuudesta visuaalisesti ja monesta paikkaa yhtä aikaa. Ledin avulla saat helposti tiedon tasa- ja vaihtojännitteestä. Jos kyseessä on verkkojännitteinen piiri, esim. hakkuri, kytke huippukirkas led 100 kilo-ohmin vastuksen ja diodin ( 1N4007) kanssa sarjaan. Juota tämä ilmaisin suurjännitetransistorin kollektorin ja emiterin välille. Tee sama toisellekin transistorille. Kun kytket laitteen päälle näet mitä tehopiirissä tapahtuu. Jos jännitteet loistavat kirkkaasti, pääteasteen transistorit eivät ole ainakaan oikosulussa ja ne kestävät käyttöjännitteen. Jos ledit eivät vilku kuorman muuttuessa, transistorien ohjaus ei toimi. Lisää kaksi samanlaista lediä piiriä ohjauspuolelle, mutta pienemmillä etuvastuksilla, esim. 2k2. Jos näiden ledien toiminta muuttuu kuorman mukaan, voit alkaa tutkia eristysmuuntajan ja transistorin välisiä komponentteja.
Tarkasti luupilla tutkiessasi saatat löytää palaneen, matalaohmisen kantavastuksen. Tämä menee helposti rikki, kun päätetransistori palaa. Samoin ohjaintransistorit palavat samasta syystä.

Sääntö numero 14:

Kokeile laitetta eri asennossa. Komponentit saattavat olla irti piirilevyssä. Kun kääntelet laitetta, laite saattaa lähteä toimimaan tai päinvastoin vika saattaa tulla esiin vain määrätyssä asennossa. Putkiaikakaudella oli aivan normaali vianhakumenetelmä antaa laitteelle kevyt isku, jolloin viallinen putkia saattoi tulla hetkeksi ehjäksi. Painavat komponentit saattavat liikkua, jos ne eivät ole kunnolla kiinni. Muuntajan kiinnitysreiät irtoavat jotoksistaan. Erityisesti yksipuolisessa piirilevyssä juotokset irtoavat mekaanisessa rasituksessa.
Kun harjoittelija tekee ensimmäisen kytkentänsä missä liitos on pelkän tina varassa teen hänelle seuraavan kokeen. Ripustan puolen kilon tinarullan roikkumaan hänen päänsä päälle ja kerron tinan virumisesta rasituksen alaisena. Harva harjoittelija jää odottamaan tinarullan putoamista päähänsä. Seuraavilla kerroilla ei pelkän tinan varassa olevia liitoksia esiinny.

Sääntö numero 15:

Jos laitteessa on paristoja tai akkuja, tarkasta niiden kunto. Älä epäröi vaihtaa niitä, jos on pienikin epäilys, että paristo tai akku on mahdollinen syy vikaan. 1980-luvulla oli yleistä tehdä ohjelma RAM-muistiin, joka oli pariston varassa. Käyttäjät eivät aina muistaneet asiaa, ennen kuin oli liian myöhäistä. Näitä laitteita olen uudestaan ohjelmoinut vielä 2000-luvullakin.

Sääntö numero 16: Don’t fix it, if isn’t broke. Älä korjaa laitetta, jos se ei ole rikki. Jos et ole varma laitteen viallisuudesta. Käytä aikaa tämän asian selvittämiseksi. Et joudu hankkimaan varaosia, et purkamaan monimutkaista laitetta jne.

Eräitä korjaustapauksia.

Ledejä uunista ulos

Tamperelaisen ledejä kehittävän yhtiön tuotanto oli pysäyksissä 400 W hakkurivirtalähteen vuoksi. Testausrobotti oli pysäyksissä ja uutta, kauko-ohjattavaa virtalähdettä ei saanut moneen kuukauteen. Koska huolto-ohjeita ei ollut, aloin tarkastella laitetta ja piirtämään sen kytkentäkaaviota.
Silmämääräisessä tarkastuksessa havaitsin, että takaisinkytkentäopton etuvastusta oli korjattu ilmeisesti jo tehtaalla. Vaihdettu vastus oli sata kertaa liian pieni ja se oli polttanut opton.
Uusi opto ja sen oikea etuvastus sai tehtaan henkilökunnan hyvälle mielelle ja tuotannon pyörimään.

Tyhjösputteri ei toimi

Tamperelainen yhtiö oli hankkinut englannista tyhjiömetallointilaitteiston muovisten matkapuhelinkuorien suojapinnoitusta varten. Tyhjiöuunin 1000V 50A teholähde ei toiminut, eikä ollut toiminut Englannissakaan. Laitteen valmistaneen yhtiön omistaja tuli Kaliforniasta Suomeen korjaamaan laitetta, siis lomamatkalle. Koska laitteessa ei ollut osakepapereita, johtaja ei ymmärtänyt siitä mitään.

Omistaja kutsui minut paikalle. Kahden tunnin selvityksen jälkeen selvisi, että laitteen tyristorisäädin oli kytketty väärin. Sitä ei oltu testattu kunnolla valmistuspaikassa. Ei myöskään Englannissa, koska se ei ollut toiminut alunperinkään.

Laite lähti toimimaan, mutta tässä laitteessa oli ohjelmat paristonvaraisessa RAMissa. Se selvisi vasta kymmenen vuoden kuluttua kun alkuperäinen ohjelmantekijä oli jo kuollut.

PC teholähteitä korjataan urakalla

PCPOWERSUPPLY.jpgHowToConnectPCPowerOn.jpg

How to connect PC power supply on

1990 luvun alkupuolella oli minulle kertynyt suuri laatikollinen viallisia teholähteitä. Keskustelimme elektroniikasta kiinnostuneen nuoren Jarmon kanssa teholähteiden rakenteista ja päätimme korjata mahdollisimman monta teholähdettä. Minä tein testausympäristön ja etsin vikoja Jarmo vaihteli osia urakalla.

Muistinvarainen vikaraportti esiintymistiheyden mukaisessa järjestyksessä:
• Sulake ja tasasuuntaaja rikki
• Tehotransistori oikosulussa
• Toision kaksoisdiodi oikosulussa
• -5V regulaattori LM7905 rikki
• Tuuletin rikki tai heikkotehoinen
• +5 ja +12 voltin suodatuskuristimet sulaneet lämmön vaikutuksesta yhteen

PC virtalähteet lähtivät toimimaan ilman kuormaa, niissä oli pieni 12 voltin apumuuntaja. AT-virtalähteet vaativat noin 10 ohmin kuorman +5 voltin antoon, jotta suurjännitekondensaattoreiden latausvirta antaisi tarpeeksi apujännitettä +12V hakkurin ohjauspiirille. Tehotransistoreita meni runsaasti, mutta niitä saatiin pahemmin palaneista teholähteistä varaosina.
Tutkittaessa vikoja, erinomaiseksi keinoksi osoittautui +12 voltin apuvirtalähde, jolla sai TL494 piirin toimimaan ja kehittämään hakkuritaajuuden. Seuraamalla ohjaussignaaleja oskilloskoopilla, pääsi nopeasti perille monista vioista.

Viitteet:
• General Electric. “SCR Manual” Fifteententh SCR anniversary edition, 1972, sivut 350-400
• Abraham Pressman, ”Switching and Linear Power Supply, Power converter Design”, 1977
• Juhani Anttila, “Elektroniset peruspiiri”, 1970, Puhelinlaitosten Liitto
• Robert A. PEASE, Troubleshooting Analog Circuits, 1993
• Leo Graetz. “Die Electrizität und ihre Anwendungen”, 1908-1921 Suomennos “Sähkö ja sen käyttö”, 1922
• WEB työkalut Microchip, National Semiconductor, Microcap

Unless otherwise stated, the content of this page is licensed under Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License