Как найти паразитное сопротивление

Диагностика цепей питания системы зажигания

©А. Пахомов (CTTeam, Школа Диагностики Алексея Пахомова).

Как показывает многолетняя практика работы на диагностическом участке мультимарочного автосервиса и анализ статистики дефектов, на большинстве сервисов не уделяют должного внимания проверке качества питающего напряжения узлов системы управления двигателем. Наблюдения выполнялись на большом количестве автомобилей, имеющих проблемы с питающим напряжением того или иного элемента. Причем многочисленные предыдущие визиты на диагностику на разные сервисы не давали положительного результата. Из этого факта можно сделать вывод о недопонимании диагностами важности проверки качества питающего напряжения сильноточных узлов.

Хотя мы говорим о системах зажигания, отметим, что данная проверка обязательна при диагностике любого сильноточного потребителя: электробензонасоса, электромагнитных клапанов управления давлением топлива, форсунок и даже ламп головного света. Как правило, во всех этих случаях питание к потребителю подается из бортовой сети автомобиля. Слаботочные элементы (в основном датчики системы управления двигателем) запитываются в большинстве случаев напряжением 5 В, формируемым стабилизатором внутри блока управления. Хотя качество проводов питания и массы на некоторых датчиках тоже играет значительную роль (например, ДМРВ типа HFM5), проблема питания датчиковой аппаратуры не так ярко выражена, как на сильноточных нагрузках. Это происходит в силу слишком малого значения потребляемого датчиками тока.

Почему важно выполнять проверку качества цепей питающего напряжения и массы?

Начнем, пожалуй, с того, что при недостаточно качественном питании потребитель либо перестает нормально выполнять свои функции, либо (чаще всего) его работа становится недостаточно стабильной. Очень часто проблемное питание является причиной спорадических дефектов, проявляющихся лишь кратковременно, в движении либо при стечении определенных условий. Как известно, поиск спорадических дефектов – одна из самых сложных задач в автомобильной диагностике, и очень часто причина заключается именно в отсутствии нормального питания и массы.

Второй важный аспект проблемы заключается в значительной стоимости некоторых элементов современных двигателей. В этом случае цена ошибки при диагностике становится слишком высокой. Например, прежде чем «приговорить» к замене дорогостоящий клапан управления давлением системы Common Rail, необходимо тщательным образом убедиться в качестве питающего напряжения и массы. В противном случае замена элемента ничего не даст, а автосервис понесет финансовые потери и подмочит свою репутацию.

И третий момент, который хотелось бы озвучить. Очень может быть, что на крупных дилерских автоцентрах подобную операцию сочтут избыточной. Такие центры, как правило, чаще всего имеют дело с достаточно свежими автомобилями, не склонными к появлению подобных дефектов. Но мультимарочные сервисы вынуждены обслуживать весьма изношенные автомобили бюджетных марок. Такие автомобили, помимо прочего, могут  быть оборудованы нештатными противоугонными системами, не всегда качественно подключенными к автомобильной электропроводке. Поэтому руководители мультимарочных сервисов обязаны относиться к делу по-другому и включить проверку состояния цепей питающего напряжения в обязательный список работ, выполняемых при диагностике двигателя.

Подводя краткий итог, можно озвучить на первый взгляд парадоксальную истину: практически ни в одном руководстве по ремонту не описана в должном объеме процедура проверки питания электрических потребителей, но на наш взгляд, эта операция должна выполняться наравне со всем остальными диагностическими процедурами и быть подробно описанной в литературе.

С помощью какого прибора выполняется данная проверка? Можно с уверенностью утверждать, что проверка качества цепи питающего напряжения и цепи массы должны выполняться только мотортестером. Ни мультиметр, ни контрольная лампа здесь не помогут. Диагносту важно увидеть и оценить именно форму осциллограммы происходящих процессов, а не просто измерить значение питающего напряжения, которое во многих случаях не несет никакой информации.

В дальнейшем будем говорить о системе зажигания, хотя все сказанное справедливо для любой электрической нагрузки. Построим эквивалентную схему первичной цепи системы зажигания с точки зрения потерь в ней. Начнем с того, что каждый электрический провод, каждый разъем, каждая группа контактов реле и т.п. имеют активное (омическое) сопротивление. Так как и питающая цепь, и цепь массы представляют собой последовательное соединение таких элементов, то все их сопротивления складываются. В итоге в каждой цепи возникает некое суммарное паразитное сопротивление, назовем его R_парп для цепи питания и R_парм для цепи массы. Обозначив их резисторами, построим эквивалентную схему первичной цепи системы зажигания следующим образом:

Закон Ома для участка цепи гласит, что при протекании по цепи тока на ее концах возникает напряжение, прямо пропорциональное сопротивлению:

U = I*R

Поэтому на резисторе R_парп появляются паразитное падение напряжения U_парп, а на резисторе R_парм – соответственно, U_парм. Обозначив напряжение на нагрузке как U_н, а напряжение на аккумуляторе U_акк, можно записать совершенно очевидное выражение:

U_н = U_акк – U_парп – U_парм

Задача автодиагноста заключается в том, чтобы измерить и оценить паразитные падения напряжения в цепи питания и в цепи массы. Для этого мотортестер включают в режим измерения напряжения относительно минусовой клеммы аккумулятора и выполняют съем осциллограмм в указанных на рисунке точках. Съем можно производить одновременно, задействовав два канала мотортестера, а можно и по очереди. Вместе с этим по желанию диагноста можно получить также и осциллограмму первичного либо вторичного напряжения.

Рассмотрим проверку цепей питания и массы по отдельности.

Часть 1. Проверка цепи питающего напряжения

Бортовое напряжение 12 В через несколько предохранителей, разъемов и контактных групп подается на верхний по схеме вывод первичной обмотки; второй вывод обмотки подключен к массе через транзисторный ключ. Щуп мотортестера присоединяется к контакту 12 В на разъеме катушки зажигания. Мотортестер используется в режиме измерения напряжения относительно минусовой клеммы аккумулятора с записью осциллограммы.

В идеальном случае в точке подключения осциллограмма напряжения будет иметь вид ровной горизонтальной линии. В реальности такого, конечно же, наблюдаться не будет: всегда присутствует паразитное сопротивление цепи R_парп, на котором возникает паразитное падение напряжения U_парп. Это падение напряжения тем больше, чем выше ток через первичную цепь и чем выше паразитное сопротивление питающей цепи. Поэтому напряжение, измеренное мотортестером в указанной точке подключения, при протекании первичного тока всегда окажется ниже напряжения бортовой сети, возникает просадка напряжения. На рисунке показана совершенно реальная осциллограмма питающего напряжения первичной цепи:

Почему осциллограмма питающего напряжения имеет спад в виде пилы? Это происходит из-за того, что ток в первичной обмотке катушки вследствие действия ЭДС самоиндукции не возникает скачком, а нарастает плавно. Поэтому и падение напряжения на паразитном сопротивлении питающей цепи тоже увеличивается плавно, и соответственно, так же плавно снижается напряжение на первичной обмотке катушки.

Следует заострить внимание на том, что подобный эффект является нормой, в любой исправной первичной цепи существует паразитное сопротивление и плавное снижение питающего напряжения на катушке в течение периода, когда в ней накапливается энергия. Поэтому приведенная осциллограмма является совершенно нормальной.

Самый важный вопрос заключается в том, какую просадку напряжения за период накопления энергии считать нормой, а какую нет. Из наблюдений было установлено, что просадка напряжения примерно 1..1,5 В наблюдается на всех совершенно исправных системах зажигания. Возьмем на себя смелость установить критерий оценки исправности питающей цепи: напряжение питания на клемме катушки к концу накопления в ней энергии должно просаживаться не более чем на 2 В. Если просадка больше – нужно искать и устранять причину: окисленные разъемы, износ контактной группы замка зажигания, нештатные реле блокировки в цепи питания катушек и т.п.

Значительная просадка напряжения, до 3…5 В и даже более, говорит о катастрофическом состоянии питающей цепи и требует безотлагательного ремонта. Подобная ситуация зачастую сопровождается спорадическими подергиваниями автомобиля, внезапной остановкой двигателя, потерей мощности, неровной работой на холостом ходу и т.п. Диагностика вторичного напряжения мотортестером в таких случаях, как правило, показывает пропадание искры или искажение формы осциллограммы.

Помимо оценки просадки напряжения, нужно проанализировать полученную осциллограмму на предмет отсутствия характерных искажений, говорящих о наличии некачественного электрического контакта. Такие искажения имеют вид кратковременных бросков напряжения вниз, иногда до уровня нуля, либо характерных шумов. Они могут возникать лишь на некоторых режимах работы двигателя, например, при сильной вибрации.

Приведем несколько реальных примеров из практики диагностики на мультимарочном автосервисе.

Пример 1. Автомобиль ВАЗ 2110, двигатель 21114, объем 1.6 л, 8 клапанов. Система управления – Январь 7. Дефект со слов клиента заключался в том, что двигатель мог в любой момент заглохнуть, однако после этого легко запускался вновь. Следует заметить, что дефект очень опасен, потому что остановка двигателя происходила не только на холостом ходу, но и при движении автомобиля.

На данном двигателе имеет место система зажигания типа DIS с двумя катушками, конструктивно расположенными в одном корпусе. Ключи управления катушками и цепи контроля тока находятся внутри ЭБУ двигателя. Разъем блока катушек имеет три вывода: на один из них подается питающее напряжение 12 В из бортовой сети при включении зажигания, еще два – это выводы первичных катушек, коммутируемые на массу транзисторами внутри ЭБУ. Подключив щупы мотортестера к этим трем выводам, можно контролировать питание катушек и первичное напряжение и тем самым выяснить, не в системе зажигания ли кроется дефект, приводящий к внезапной остановке мотора.

Выполнив все подключения и запустив съем осциллограммы, дожидаемся момента, когда двигатель заглохнет. Вот этот момент на осциллограмме:

Проанализируем его.

1. Напряжение питания в момент, когда накопление энергии в катушке не происходит, составляет 13,3 В. Этот факт говорит о наличии проблем в бортовой сети: с высокой долей вероятности с генератором и зарядкой аккумулятора не все в порядке и требуется дополнительная проверка.
2. Когда началось накопление энергии в катушке, напряжение питания на ней начало сильно падать. Причем форма осциллограммы в этом месте неровная, с заметными искажениями, что сразу говорит о наличии плохого контакта где-то в цепи питания. Но самое главное то, что к окончанию периода накопления напряжение упало до уровня 8,8 В. Просадка напряжения составила 4,5 В. Это очень много, однозначно имеется дефект, требующий устранения.
3. В дальнейшем напряжение питания упало до 5,9 В, что и привело к остановке двигателя. Цепь питания катушек зажигания нарушилась полностью.
4. При последующих попытках накопления энергии, когда блок замыкал первичную цепь, питающее напряжение просто падало до нуля.
5. Анализ формы первичного напряжения проводить не будем. Отметим лишь, что даже при столь плохом качестве цепи питания искрообразование на свечах имело место, а после окончательного пропадания питания, конечно же, импульсы первичного напряжения пропали тоже.

Схема подключения катушек зажигания в системе Январь 7 достаточно проста: питание поступает прямо с замка зажигания через несколько разъемов. Осталось проверить электропроводку от плюсовой клеммы аккумулятора до катушек. Возможно, проблема заключена в самой контактной группе замка зажигания. Однако при первом же взгляде в пространство под приборной панелью обнаружился нештатный тумблер, размыкающий цепь питания катушек. Видимо, это было некое подобие противоугонной системы. После удаления тумблера проблема со спорадической остановкой  двигателя была решена, а осциллограмма питающего напряжения приняла нормальный вид.

Пример 2. Автомобиль Chevrolet Lanos, двигатель 1,5 л, система зажигания типа DIS с модулем конструкции General Motors, который массово применялся также и на автомобилях ВАЗ в конце девяностых – начале двухтысячных годов. Проблема, как и в первом примере, заключалась в спорадической остановке двигателя. Следует заметить, что автомобиль посетил уже несколько автосервисов, на которых была выполнена замена бензонасоса, свечей зажигания, высоковольтных проводов, модуля зажигания и датчика положения коленчатого вала.

Был подключен мотортестер, запущен съем осциллограммы питания и массы модуля зажигания, а также вторичного напряжения. Однако интерес представляет только осциллограмма напряжения питания:

Проанализируем полученную осциллограмму.

1. Бортовое напряжение, подаваемое на модуль зажигания, составляет 13,9 В. Учитывая это, можно с высокой долей вероятности предположить, что дефектов в генераторе нет, и зарядка аккумулятора происходит успешно.
2. В момент окончания накопления энергии напряжение на модуле упало до 9,1 В. Просадка напряжения составила 4,8 В. Форма осциллограммы при этом очень искажена, видны скачки вверх-вниз, линия снижения напряжения негладкая. В принципе, можно было не дожидаться остановки двигателя, а сразу искать проблему в цепи питающего напряжения модуля зажигания.
3. В какой-то момент питание просто исчезло: напряжение упало до уровня 7,8 В из-за наличия большого паразитного сопротивления в цепи.
4. В начале следующего периода накопления энергии в катушке напряжение упало до нуля. Двигатель при этом заглох.

Дефект очень похож на предыдущий. Разница лишь в том, что в первом случае причина крылась в непрофессиональном вмешательстве в электропроводку автомобиля, а во втором – в окислении контактов в цепи питания модуля.

После ремонта электропроводки вновь был выполнен съем осциллограммы питающего напряжения:

Как видно, линия снижения напряжения теперь гладкая, а просадка напряжения составила 1,8 В, что вполне укладывается в обозначенный ранее допуск.

Пример 3. Автомобиль ВАЗ 2115, двигатель 21114, объем 1.6 л, 8 клапанов. Жалоб у клиента нет. Однако проверка мотортестером качества питающего напряжения катушек зажигания выявила наличие ненадежного контакта:

Наблюдаемая на осциллограмме характерная «гребенка» говорит о ненадежном контакте где-то в цепи питания. Дефектным оказался замок зажигания вследствие износа его контактной группы. Данный случай примечателен тем, что никаких жалоб клиента не было озвучено, но проблема уже имела место.

Пример 4. Этот пример приведем в качестве дополнения для более полного понимания поставленной задачи. Речь идет о блоке розжига ксеноновых ламп, установленном нештатно на автомобиль Hyundai Accent. В заводском исполнении ксеноновые лампы на этот автомобиль никогда не устанавливались, поэтому электропроводка рассчитана на установку в фары обычных ламп накаливания.

Не касаясь вопроса о возможности и даже законности подобной переделки, заострим внимание лишь на технической стороне дела. Блоки розжига были подключены непосредственно к тем же проводам, которые прежде питали лампы накаливания. Но для формирования высокого напряжения блок розжига, как и система зажигания, использует принцип электромагнитной самоиндукции. Поэтому в момент подключения катушки для накопления энергии блок потребляет значительный ток; подключение происходит периодически с постоянной частотой около 80 Гц. Однако после установки в фары ксеноновых ламп выяснилось, что одна из них моргает.

Смена местами ламп, как и смена местами блоков розжига правой и левой фары, ничего не дала. Проблема была найдена путем снятия осциллограммы питающего напряжения:

Как видно из приведенной осциллограммы, напряжение в бортовой сети составило 14,2 В. Однако к концу зарядки катушки внутри блока розжига просадка напряжения достигла целых 8,3 В, что и приводило к сбоям в формировании высокого напряжения для ксеноновой лампы.

Следует заметить, что на втором блоке просадка напряжения достигала 6 В, но лампа при этом не мерцала. Однако переделка электропроводки требуется для блоков розжига обеих фар. Собственно, при установке ксеноновых ламп была допущена грубая ошибка: не учтено более высокое пиковое потребление тока блоками розжига и не усовершенствована электропроводка автомобиля.

Продолжение. Часть 2.

Продолжение. Начало здесь.

Проверка цепи массы

Ранее была рассмотрена диагностика цепи от плюсовой клеммы аккумулятора до первичной обмотки катушки зажигания. Помимо этого, при выполнении диагностических работ обязательно нужно проверять цепь массы первичной обмотки. Это цепь от минусовой клеммы аккумулятора до коммутирующего транзистора системы зажигания.

Как и проблемы с питающим напряжением, проблемы с массой также приводят к спорадическим дефектам, заключающимся в рывках в движении, спонтанным провалам в работе на холостом ходу и даже внезапной остановке двигателя. Основываясь на опыте, можно утверждать, что такие случаи встречаются достаточно редко, но тем не менее знать о них обязательно нужно. Дефект очень хитрый, хотя и несложный в поиске, и чаще всего спорадический.

Проверка также выполняется мотортестером в режиме измерения напряжения относительно минусовой клеммы аккумулятора. При этом должна быть запущена запись осциллограммы для последующего ее анализа. Измерительный щуп нужно подключить к точке присоединения коммутирующего транзистора к массе.

В чем заключается отличие провода массы от питающего провода? Провод питания доступен всегда. Он обязательно присутствует на разъеме любой катушки зажигания независимо от конструкции системы. Поэтому выполнить его проверку проще, чем проверку провода массы.

Тонкость заключается в том, что не во всех конструкциях систем зажигания цепь массы достаточно доступна. Из всего множества конструкций можно выделить две группы.

Первая группа — это конструкции, в которых и коммутирующие транзисторы, и катушки зажигания находятся внутри отдельного модуля. Соответственно, провод массы присутствует прямо в электрическом разъеме этого модуля. Например, на двигателях Toyota с индивидуальными катушками, а также в системах зажигания GM и родственных им системах ВАЗ.

Провод массы такой системы зажигания выведен на разъем модуля, и диагностика качества цепи не вызывает затруднений из-за ее хорошей доступности. Достаточно общая схема подобных конструкций и точка подключения мотортестера для съема осциллограммы показаны на рисунке:

Вторая группа — это системы зажигания, в которых коммутирующий транзистор расположен внутри блока управления. Диагностика состояния цепи массы на таких автомобилях может быть затруднена.

Так как коммутация первичной цепи происходит внутри электронного блока, ток первичной цепи течет через его разъем и провод, соединенный с кузовом автомобиля. Это место соединения может оказаться труднодоступным, однако подключать щуп мотортестера необходимо именно к нему. На рисунке показана условная схема таких конструкций и точка подключения измерительного щупа мотортестера:

Одним словом, диагностика цепи массы требует творческого подхода. Нужно предварительно ознакомиться с технической документацией и расположением узлов и контактных точек на кузове автомобиля. В некоторых случаях может потребоваться нестандартный подход, например, в случае диагностики старых систем зажигания.

Как уже было сказано, в цепи массы имеет место паразитное сопротивление Rпарм. Это сумма сопротивлений проводов, участка кузова, точек электрического соединения и т.п. Если бы Rпарм было равно нулю, то осциллограмма снятого мотортестером напряжения имела бы вид ровной горизонтальной линии. Однако в реальности сопротивление всегда присутствует, поэтому при протекании тока на концах цепи возникнет падение напряжения, вызывающее подскок линии напряжения.

Сравнивая цепь массы с цепью питающего напряжения, необходимо обратить внимание на важный факт: если в цепи питания при наличии паразитного сопротивления возникает просадка напряжения относительно бортовой сети, то в цепи массы наоборот, подскок напряжения относительно нуля.

Однако паразитное сопротивление цепи массы, как правило, заметно ниже сопротивления цепи питающего напряжения. Причина в том, что цепь массы чаще всего проходит по кузову или двигателю автомобиля, содержит меньше электрических соединений и в отличие от цепи питания в ней нет предохранителей и контактных групп реле. Поэтому подскок напряжения в цепи массы наблюдается обычно тогда, когда уже есть серьезная проблема. Чаще всего она заключается в окислении мест соединения с кузовом либо двигателем.

По этой причине осциллограммы напряжения исправных цепей массы приведены не будут: по сути, они представляют собой горизонтальную линию с неизбежными при измерении помехами. Гораздо больший интерес представляют примеры осциллограмм с дефектами.

Пример 1. Автомобиль Daewoo Lanos, система зажигания типа DIS с модулем зажигания GM. В нем две катушки и два коммутатора. Система управления двигателем ITMS-6. Дефект заключался в том, что двигатель периодически глох на холостом ходу. Также он мог спонтанно на секунду-другую провалить и вновь восстановить частоту вращения, а в движении наблюдалось подергивание автомобиля.

Поиск причины дефекта мотортестером быстро вывел на систему зажигания: вторичное напряжение периодически пропадало, моменты его пропадания однозначно совпадали с моментами провала частоты вращения.

Дальнейший поиск был направлен на проверку питающего напряжения и массы на разъеме модуля зажигания. Вот осциллограммы вторичного напряжения и напряжения на проводе массы:

Как видно, в момент накопления энергии в катушке есть значительный подскок напряжения на проводе массы модуля. Максимальное значение напряжения достигало 1,8..1,9 В. Это очень большая величина, в цепи массы однозначно есть проблема. Был зафиксирован и момент остановки двигателя:

Форма осциллограммы вторичного напряжения имеет совершенно ненормальный вид; искрообразование на свече отсутствует полностью. Подскок напряжения на проводе массы достигал 6 В. Во время накопления энергии наблюдались многократные срывы тока. Возможно, столь непредсказуемо ток вел себя из-за эрозии в месте плохого контакта.

Пример 2. Проверку качества соединения с массой можно выполнять не только в системах зажигания, но и в любых других цепях. Одна из наиболее важных цепей — это соединение двигателя с кузовом и далее с минусовой клеммой аккумулятора. Проверку ее качества на достаточно старых автомобилях рекомендуется делать каждый раз, когда автомобиль по той или иной причине попадает на пост диагностики. Почему? Потому что от состояния цепи аккумулятор — двигатель — стартер во многом зависит успешный запуск.

Автомобиль Nissan Sunny, жалоба клиента на затрудненный зимний запуск.

Проверка цепи массы двигателя при прокрутке стартером выявила подскок напряжения до 2 В и даже выше. Такая потеря напряжения совершенно недопустима. Получается, что стартеру при прокрутке «достается» на два вольта меньше, чем могло бы. А это приводит к заметному снижению частоты вращения и вероятности успешного запуска.

В данной ситуации можно обратить внимание еще и на участок осциллограммы, соответствующий включенному зажиганию, без вращения стартера. Даже в такой ситуации подскок напряжения составил 0,17 В. Другими словами, весьма заметный подскок создают даже малые токи, которые идут по цепи массы двигателя при включенном зажигании. И лишь тогда, когда зажигание выключено, напряжение становится равным нулю.

Следует отметить, что по стандарту DIN в силовых проводах стартера допускается потеря напряжения при прокрутке двигателя не более 0,5 В.

Возвращаясь к теме проверки качества массы в первичной цепи системы зажигания, хотелось бы отметить еще один момент. Если подключение мотортестера для проверки массы сильно затруднено или отсутствует необходимая для этого информация, то состояние цепи можно оценить по осциллограмме первичного напряжения.

Как правило, при расположении транзисторов внутри ЭБУ на разъеме катушки легко доступна точка съема первичного напряжения. Анализ осциллограммы первичного напряжения при наличии достаточного опыта позволяет сделать выводы о состоянии цепи массы. Но такая проверка не дает стопроцентной точности результата.

Посмотрите видео о том, как можно оценить состояние массы системы зажигания по первичному напряжению:

Краткий итог. Контроль состояния цепи питания и массы системы зажигания должен входить в обязательный перечень диагностических работ, выполняемых на мультимарочном автосервисе. Дефекты, возникающие в цепях питания, чаще всего приводят к появлению спорадических провалов в движении и остановке двигателя. Работы выполняются мотортестером в режиме съема осциллограммы напряжения с ее последующим анализом.

Паразитное сопротивление

Cтраница 3

Основная погрешность при использовании мостовых схем включает в себя составляющие: погрешность значений параметров образцовых элементов моста; погрешность, обусловленная неточностью балансировки моста, определяется чувствительностью моста; погрешность, обусловленная паразитным сопротивлением, емкостью и индуктивностью соединительных проводов и переходных сопротивлений контактов, а также паразитными связями между элементами моста.
 [31]

В данной модели при соответствующем определении параметров учитываются практически все известные физические эффекты в работе МДП-транзистора: зависимость подвижности носителей в канале от напряженности электрического поля, влияние потенциала подложки, конечность выходного сопротивления в области насыщения, паразитные сопротивления истока и стока. Эта модель справедлива также и при инверсном режиме работы МДП-транзистора, когда исток и сток меняются местами. Следует отметить, что в выражения для указанных параметров моделей МДП-транзисторов входят внутренние параметры структуры прибора такие как длина и ширина канала, подвижность носителей, удельная емкость диэлектрика под затвором, концентрация примеси, толщина диэлектрика.
 [32]

Сопротивления всех подводящих проводов и переключателей в этой схеме расположены или в ветви источника питающего напряжения ( а г, Ь, Рп), или в последовательном соединении с мостовыми сопротивлениями Si, S2, Ui и U2 ( а п, Ь, с, d, Pr2) достаточно большими, чтобы по отношению к ним можно было пренебречь влиянием паразитных сопротивлений.
 [33]

Следовательно, происходит запаздывание выключения. Конечные паразитные сопротивления различных областей и контактов полупроводникового прибора, а также емкость, обусловленная накоплением заряда ( неосновных носителей), и емкости р – – переходов ограничивают быстродействие прибора временем RC. Емкость, обусловленную накоплением заряда ( заряд инжектированных носителей компенсируется дополнительными основными носителями), можно рассчитать, взяв отношение приращения накопленного в области заряда к приращению напряжения, приложенного к переходу ( или к области), которое вызывает такое же изменение заряда. Как легко видеть, емкость переходной области или области барьера вызывается изменением заряда ( главным образом объемного) с наружных сторон переходной области при повышении напряжения на переходе ( см. фиг.
 [34]

Но в данный момент работают У2 и УЗ, на плате расположенные рядом с У1, Уп. УЗ создают на паразитных сопротивлениях падение напряжения, которое является помехой для устройства Уп. Если помеха больше порога срабатывания У, последнее может запуститься ложно.
 [36]

Общая точность и надежность тензометрических измерений определяются не только качеством примененных тензометров и свойствами аппаратуры, но и рядом внешних факторов, действующих при каждом измерении совместно. Решающую роль играют при этом паразитные сопротивления проводников, переключателей и зажимов, а также и распределенные емкости подводящих проводов.
 [37]

Тепловой шум, аналогичный тепловым шумам сопротивлений. Источником шума является сопротивление канала и паразитные сопротивления истока и стока.
 [38]

В емкостной схеме, так же как и в индуктивной, имеется расхождение между расчетной и реальной мощностями. Это расхождение объясняется главным образом влиянием паразитных сопротивлений в цепи нагрузки и в особенности влиянием паразитных индуктивностей.
 [40]

Значение характеристического сопротивления измеряемого четырехполюсника и его зависимость от частоты в общем случае неизвестны. Оно содержит реактивные составляющие, обусловленные влиянием паразитных сопротивлений, величина которых имеет случайный характер и не может быть рассчитана, и поэтому определяется с помощью дополнительных измерений. Проведение этих измерений усложняет определение собственного затухания, которое и без того затруднено из-за необходимости согласованного включения четырехполюсника.
 [41]

Данное выражение справедливо для у укр, где укр – так называемый критический коэффициент заполнения, при превышении которого регулировочная характеристика стабилизатора приобретает падающий характер. Это происходит потому, что падение напряжения на паразитном сопротивлении г уже не может быть скомпенсировано нарастанием тока в индуктивности.
 [42]

Измерение тока является относительным измерением. Ток, текущий через образец, измеряется на фоне тока, проходящего через параллельное паразитное сопротивление. Относительный характер становится особенно очевидным для органических веществ в твердом состоянии. Параллельное паразитное сопротивление может легко достигать того же порядка, что и измеряемое, и приходится затрачивать много усилий на уменьшение параллельного тока до величины гораздо меньшей, чем измеряемый ток. Именно поэтому здесь будут рассмотрены некоторые детали этого вопроса. Встречающиеся высокие значения полного сопротивления требуют обсуждения, которое не относится к рассматриваемому вопросу и поэтому будет кратким. Например, большие сопротивления строго ограничивают измерения при использовании переменного тока.
 [44]

По Достижении равновесия обоих мостов точки end приобретают потенциал земли без непосредственного подключения земли к какой-либо из этих точек, в результате чего выполняется предположенное вначале условие о равенстве потенциалов точек с и d потенциалу земли. Таким образом, в результате осуществления так называемого двойного моста представляется возможным устранить влияние паразитных сопротивлений, сведенных к узловым точкам основного моста.
 [45]

Страницы:  

   1

   2

   3

   4

   5

Наверное, силовая электроника – рекордсмен по скорости и зрелищности начальных испытаний опытных образцов. Тут вам и свето-шумовые эффекты, и пластиковый короб для защиты глаз/лица, и даже острые ощущения. Вспомните первое включение. Это трепетное ожидание пиротехнического шоу, готовность выдернуть вилку,

надеть шлём и убежать в бункер

. А ведь так хочется, чтобы проект взлетел! Посмотрим, без чего проект точно успешно не взлетит, разберём примеры и полюбуемся на бабахи…

❯ Предыстория.

Данный материал подготовлен уже некоторое время назад. Но тогда я не стал его публиковать: вдруг сжатый «конспект» – это не совсем подходящая форма. Быть может, было бы нагляднее показать основные моменты на примере отдельных устройств. Но можно потерять общую линию. Поэтому, некоторый концентрированный материал в сжатом объёме всё же нужен. Хочется поделиться своей подборкой правил, хитростей и тонкостей, тщательно подобранных (и проанализированных) из разных источников – книг, аппнотов, статей и видеозаписей (будут указаны в конце второй части). Основное внимание решено уделить печатной плате. Ведь этого материала мне особенно не хватало. Надеюсь, будет кстати.

❯ Необходимые составляющие.

Итак, три составных части хорошего источника питания:

1. Продуманная схема.
2. Правильный расчёт, компоновка и аккуратное изготовление магнитных (индуктивных или моточных) элементов.
3. Грамотная компоновка и разводка печатной платы. Плата – это часть схемы.

Рассмотрим составляющие по порядку.

❯ Схема.

Схема рождается с выбора топологии. Выбор, во многом, определяется поставленной задачей. К примеру, важна мощность преобразователя, габариты, стоимость, какие-то специальные требования. Часто используются определённые типовые решения и даже части схем. Например, разные схемы выпрямления, фильтров или защитных цепей. В обратноходовом преобразователе это могут быть типовые схемы снабберов или демпферов. Удачно выбрать ту или иную схему, решение – это целое искусство, постигаемое с опытом. Разные топологии, типовые схемы, элементы схем и другое очень хорошо описано в алфавите силовой электроники.

Пример классического решения – поместить резистор с затвора на исток (или на землю) рядом с ключом, чтобы транзистор самопроизвольно не открывался.

Вспоминается история из личного опыта. К затвору полевого транзистора припаян проводок 5-7 см, который болтался в воздухе (отличная антенка!). Мультиметр в режиме прозвонки был подключен к стоку и истоку. А потом прибор вдруг запищал – транзистор открылся. Причём руками я затвор не трогал.

На схемном этапе очень помогает тщательное изучение документации (datasheet) на контроллер преобразователя и указаний по его применению (application notes). Многие подводные камни там уже рассмотрены, даны ценные рекомендации не только по схеме, но и по расчётам и даже по разводке платы.

Производители часто предоставляют удобные программы для облегчения расчётов схем, использующих их компоненты. Часто это бывают таблицы в экселе (расчётки) или отдельные программы.

Хорошо уже на этапе проектирования схемы начать продумывать землю. Например, разделить на сигнальную и силовую. В Altium Designer для этого удобно использовать элемент Net tie.
Ошибки в схеме тоже могут привести к бабаху. Например, плохо спроектированные драйверы ключей могут вызвать протекание сквозных токов, а потом сгорание ключей. Если что-то сгорает, то часто уносит за собой ещё с полсхемы.

❯ Моточные изделия.

Здесь важно правильно выбрать материал магнитопровода. Выбирается он по величине удельных потерь. Форма и размер сердечника – по возможности намотать расчетную индуктивность и разместить сердечник на плате (и не только). Можно воспользоваться параметром габаритная мощность трансформатора для определения возможности реализовать расчетный трансформатор.

Важно правильно рассчитать количество витков. С сердечника не обязательно выжимать максимальную мощность. Можно уменьшить индукцию и взять сердечник побольше. Это может снизить потери в нём. Вспомним график потерь в магнитопроводе в зависимости от индукции магнитного поля и частоты. Например, для популярного материала n87.

Очень удобно использовать программы Старичка (Владимира Денисенко) или другие. Но для понимания (или для больших мощностей) лучше проводить расчёты руками (например, в Маткаде).
Необходимо ещё грамотно и аккуратно изготовить трансформатор. Отличное видео по теме:

Для учебных проектов трансформатор можно сделать и попроще – без изолирующих трубочек, бандажной ленты и пропитки. Работать тоже будет –нужно же с чего-то начинать. Но если преобразователь работает от сети, то лучше применять указанные материалы.

Бандажная лента шириной 3мм сверху и снизу намотки обеспечивает длину пути тока утечки 6мм.

Ещё пример намотки трансформатора для полумоста:

Неправильно рассчитанный трансформатор может войти в насыщение, что почти всегда приводит к бабаху.
Отличный, очень подробный и наглядный материал про трансформатор с картинками и графиками можно найти здесь.

❯ Плата.

Подробнее всего мне хочется остановится на печатной плате. Ведь неправильно разведенная плата может загубить отличный проект. Это неудивительно, так как плата зачастую – это самая сложная часть проекта. Общие соображения по вопросу разводки и компоновки платы относятся как к маломощным преобразователям мощностями единицы ватт, так и к мощным – единицы кВт. Может и больше, не проверял. Возможно, при меньших мощностях ошибки будут не столь критичны. Но при мощностях, больших примерно 250 Вт они уже могут не позволить вашему проекту взлететь.

Одна из сложностей проектирования платы в том, что на схеме есть далеко не все элементы, которые имеют место в действительности. Начать можно с заземления. На схеме земля обычно не рисуется отдельными проводниками, а обозначается специальным знаком. Это, конечно, удобно, но вносит некоторую путаницу и совершенно не даёт понимания, где и как должны течь токи.

Например, у нас есть схема:

Как это будет реализовано на плате? Есть, как минимум, 2 варианта.

Что плохого в первом варианте? Во-первых, силовой ток ключа и немалый ток заряда затвора протекает по тому же пути, что и слабенькие сигнальные токи. Это вызывает паразитные падения напряжения на сопротивлении дорожек и всплески напряжения из-за их индуктивностей. Во-вторых, бОльшие токи протекают по более длинному пути, что увеличивает индуктивность этого пути и паразитные выбросы. Это может не только нарушить работу схемы, но и вызвать проблемы с электромагнитной совместимостью.

Что нужно сделать, чтобы стало хорошо? Для начала, разделить пути протекания токов. Теперь, если контроллер измеряет какое-то напряжение относительно земли (или нуля), то там и будет ноль, а не что-то значительно отличающееся. Хорошо расположить элементы схемы так, чтобы контур с бОльшим током имел меньшую длину (меньшую индуктивность). Кроме того, были добавлены конденсаторы по питанию для каждого блока.

При разводке печатных плат (ПП) нужно учитывать паразитные сопротивления, ёмкости и индуктивности. Расширяя проводник (дорожку на плате), мы уменьшаем его сопротивление и индуктивность, но увеличиваем емкость (образуется с другими дорожками на других слоях). Для уменьшения ёмкости нужно, наоборот, уменьшать площадь дорожки. Также можно увеличить толщину текстолита (как расстояние между обкладками конденсатора).

Ток, протекая по дорожке, может порождать падение напряжения на её паразитном сопротивлении. Поэтому, например, выходное напряжение лучше измерять ближе к выходному разъёму, как на картинке справа. Хотя, разница может оказаться и не критичной.

Паразитное сопротивление дорожки можно прикинуть, зная удельное сопротивление меди на квадратик. А потом просто посчитать квадратики. Но это будет приблизительно, только оценка. Медь имеет относительно большой температурный коэффициент сопротивления.
Особое внимание нужно обратить на разводку резистора-датчика тока Rcs. В мощных схемах он имеет малое сопротивление, не во много раз большее сопротивления медной дорожки. Лучше использовать Кельвиновское (4-проводное) подключение.

Основные вещи, на которые следует обращать внимание при разводке платы (независимо от топологии):

1. Цепи с высокой скоростью di/dt. (Вспоминаем формулу U = Ldi/dt). Особенно где ток резко включается и выключается. Паразитная индуктивность в такой цепи вызовет дополнительные выбросы напряжения и резонансный звон. Это может повредить устройства, вызвать помехи в соседних цепях, вызвать неустойчивую работу контроллера и потери при переключении.
2. Узлы с высокой скоростью dV/dt. (Вспоминаем формулу I = CdV/dt) Паразитная ёмкость передаст шум в соседние цепи.
3. Проводники с большими постоянными (или низкочастотными переменными) токами. Большие токи вызывают нагрев проводников. Учитывая относительно большой температурный коэффициент сопротивления меди, это может дать дополнительные ошибки. 
4. Сигнальные соединения. Восприимчивы к помехам от внешних цепей. Шум может вызывать дрожание сигнала, проблемы со стабильностью. Это может быть поле Н – помехи по магнитной связи, или поле Е – помехи по ёмкостным связям. 

Рассмотрим несколько примеров.

В цепи диода и транзистора (красный, синий) ток включается и выключается, поэтому там большая скорость di/dt. А в зелёной цепи эта скорость значительно меньше (ток изменяется более плавно). Поэтому имеет смысл в первую очередь уменьшать индуктивность в цепях диода и транзистора, даже за счёт увеличения в цепи дросселя (в зелёной цепи). Хотя, конечно, паразитную индуктивность лучше уменьшать везде.

Узел, выделенный голубым цветом, переключается между 0 В и Vout, поэтому имеет большую скорость dV/dt. Шумовой ток, проникающий через паразитную ёмкость С в соседние цепи равен iш = СdV/dt. Он особенно мешает, когда проникает в чувствительные узлы контроллера и нарушает его работу.

На dV/dt повлиять можно с помощью затворного резистора, если ключ не встроен в микросхему. Но делать это надо осторожно, так как при уменьшении скорости переключения ключа увеличиваются потери. Поэтому лучше уменьшать ёмкость С (уменьшать площадь или увеличивать толщину платы). В этом узле довольно большие токи, поэтому может возникнуть соблазн уменьшить сопротивление, увеличивая площадь проводников. Но здесь гораздо важнее уменьшить ёмкость, чтобы уменьшить шумы, а также потери при переключении. В даташитах на dc-dc преобразователи часто можно встретить рекомендации уменьшить площадь данного узла.

Важно заземлять любой радиатор, на котором установлен транзистор или диод, иначе он будет плавать вместе с коммутируемым узлом и вызывать значительное увеличение электромагнитных помех. Дело в том, что корпус транзистора или микросхемы (вспомним, например, TOP-Switch), к которым обычно подключен сток, образует с радиатором конденсатор. Например, использовать металлический корпус блока в качестве радиатора для силового ключа – не очень хорошая идея.

От перезаряда паразитной ёмкости возникает шумовой ток, проходящий по длинному (и высокоиндуктивному) пути до помехоподавляющих конденсаторов. Это создаёт дополнительные трудноустранимые высокочастотные помехи. Поэтому правильнее размещать силовой ключ на отдельном охладителе. А если радиатор имеет значительную площадь основания, то шумовой ток по паразитной ёмкостной связи (образуемой им с проводниками платы) может проникать и в другие участки схемы. К тому же радиатор может быть хорошим экраном.

Не стоит забывать про цепи управления затвором – там тоже большие скорости dV/dt и пики тока большой амплитуды. Здесь также нужно минимизировать паразитные индуктивности и ёмкости. Амплитуды напряжения здесь не так велики, как на стоке полевого транзистора, но для обеспечения хорошего сигнала управления затвором требуется создать путь с низкой индуктивностью от драйвера к МОП-транзистору, не забывая, конечно, и о возвратном пути.

Ещё один пример схемы с большими dV/dt и di/dt –демпферы (снабберы, поглотители или фиксаторы).

Рассмотрим полный мост.

Здесь работают те же основные правила. Паразитная индуктивность в контурах, обведенных красным и зеленым цветом должна быть сведена к минимуму. Все эти контуры имеют высокие скорости di/dt. Важно максимально уменьшить площадь проводников узлов с высокой скоростью dV/dt (обозначены красными кружками).
Посмотрим ещё на обратноходовую схему.

Эта топология очень популярная и относительно простая. В цепях, выделенных синим и красным цветом протекают пульсирующие токи, поэтому там высокие скорости di/dt. Минимизация паразитной индуктивности в этих цепях очень важна для предотвращения нежелательных выбросов напряжения и потерь мощности. Не стоит забывать и про затворную цепь. Есть здесь и узлы с высокой скоростью изменения напряжения.

Отдельный вопрос, как разделить земли и где их объединять. Как пишет Дмитрий Макашов («Обратноходовой преобразователь»), очень помогает сплошная заливка земляным полигоном – на печатной плате толщиной 1,5мм наличие на противоположной стороне земляного полигона снижает индуктивность проводника примерно в пять раз! (Похожие рекомендации встречаются в даташитах).

Силовой ток не должен проходить по участкам сигнальных цепей во избежание падения напряжения, вредного для чувствительных схем. Распространённый случай – возвратные токи земли, легко сбивающие контроллер.

На первичной стороне помогает разделение земляного полигона на два – под силовой частью, и под сигнальной, и объединение их на конденсаторе питания ШИМ-контроллера. Таким образом мы сохраним индуктивность проводников на минимальном уровне, и избежим наводок на сигнальную часть от падения напряжения при прохождении силового тока. На вторичной стороне также рекомендуется разделять земляной полигон на два – здесь точкой их соединения будет выходной конденсатор.

В другом источнике можно найти такие картинки:

В обоих случаях цепи измерения напряжения (делитель в выходной цепи и съём сигнала с резистора-датчика тока) подключаются именно к тому месту, где нужно измерять напряжение, будто вольтметр. Это позволяет исключить падения напряжения, создаваемые силовыми токами.
Видно, что на второй картинке сигнальная и силовая земли как на первичной, так и на вторичной стороне разделены. Показаны и точки их объединения. Конденсатор питания ШИМ-контроллера в данном случае не показан.

Переходные отверстия также обладают весьма ощутимой индуктивностью, и в силовых цепях желательно ставить несколько в параллель везде где это только возможно (еще лучше вообще их избегать).
Цепи задающего генератора и входа токового сигнала ШИМ-контроллера, цепь обратной связи имеют относительно большое сопротивление и малые уровни сигналов. При близком расположении сигнальных цепей к источнику шума работа контроллера и системы в целом может быть нарушена.

Поэтому чувствительные к шуму сигнальные цепи лучше располагать подальше от источников шума (это уменьшит паразитную ёмкостную связь). Также нужно максимально уменьшить длину сигнальной дорожки с уже отфильтрованным сигналом, чтобы она снова не нахватала помех:

Фильтрующие конденсаторы лучше располагать у самого вывода микросхемы, а где нужно – добавить переходные отверстия на земляной полигон с обратной стороны платы. Такой полигон лучше располагать под сигнальными цепями и под самим контроллером (на сколько это возможно).

Кстати, пады в силовой электронике лучше подключать напрямую к полигону, а не с термобарьером, как на картинке. (Спасибо моему товарищу за подсказку, сразу не заметил).
Использование земляного полигона позволяет уменьшить паразитные сопротивление и индуктивность возвратных путей для токов и улучшить отвод тепла.
Некоторые моменты вызовут скорее проблемы с электромагнитной совместимостью, чем фейерверк, но стоит коротко упомянуть. При размещении элементов фильтра на плате нужно учитывать паразитные связи.

Для уменьшения паразитной связи можно расположить магнитные элементы подальше друг от друга или сориентировать их по-другому. Также рекомендуется использовать сердечники с формами, которые имеют лучшее экранирование.
Паразитная связь может быть и ёмкостной:

Видим, что полигоны Vbat и Vdd располагаются друг над другом на разных слоях. На схеме явно чего-то не хватает, правда?

Шум просто обойдёт индуктивность по паразитному конденсатору Сп. Решается проблема несложно – нужно убрать перекрытие:

Часто такие ошибки допускаются по невнимательности. В одном источнике встретил рекомендацию: чтобы такого не было, лучше обозначать цепи разными цветами. К примеру, землю зелёным, а шумную цепь контрастным цветом – розовым, отфильтрованную жёлтым. Тогда всё будет хорошо видно.

На многослойных платах нужно проверить, чтобы перекрытия не было ни на каком слое. Если шумная и отфильтрованная цепи находятся на разных слоях и перекрываются, но эти слои изолированы друг от друга слоем земли (между ними слой земли), то всё нормально.
Силовой ток не должен обходить конденсатор. То есть, не должно быть участков меди на пути тока кроме вывода конденсатора. Особенно, это относится к керамическим конденсаторам. Недопустима ситуация, когда конденсатор как бы болтается на проводниках между линиями с силовым током.

Вариант 3 вполне приемлем в цепях с небольшими пульсациями тока без резких фронтов, например, так вполне можно ставить конденсатор С9:

Но конденсаторы фильтра (С8 на схеме) обязательно должны ставиться по вариантам 1 или 2, иначе не получится эффективной фильтрации высокочастотных помех. Варианта 4 для силовых схем нужно избегать вообще.
Вот ещё пример плохой разводки, взятый из книги по фильтрам. Переходные отверстия на нижний слой земли расположены рядом, и возвратный ток зашумлённого сигнала будет перекрываться с возвратным током отфильтрованного сигнала.

Это хороший пример того, что будет, если путать понятия «земля» и «путь возвратного тока». Наверное авторы книги думали, что фильтр должен иметь одну землю, игнорируя то, что токи будут протекать вместе по тонким переходным отверстиям.

При выводном монтаже паразитные индуктивности выводов силовых компонентов (обычно это относится к силовому ключу и к выходному диоду) относительно велики, и вместе с паразитными емкостями они образуют неприятные высокочастотные резонансные контуры. Эффективным способом борьбы с паразитными колебаниями на них является надевание ферритовых бусинок (ferrite beads) на выводы компонентов. Но для современного плотного поверхностного монтажа их применение оказывается ненужным – при грамотной разводке платы паразитная индуктивность чрезвычайно мала.

В завершение хочется привести пример того, как не нужно делать прототип (это первичная сторона обратнохода):

Лучше не лениться, и развести нормальную плату. Даже если будут ошибки, то большая часть работы уже будет сделана. Останется только сделать некоторые правки – и можно изготавливать второй вариант.

❯ Выводы.

Хорошая печатная плата значительно повышает шансы успешного запуска и избавляет от ненужных потерь времени в попытках понять, почему не работает или работает нестабильно.

Пункт про разводку платы рассмотрели довольно коротко и сжато. Многое можно добавить, так как тема эта довольно обширная. Мы не рассмотрели моменты, связанные с отводом тепла, с толщиной дорожек (соответствует величине тока), с зазором между дорожками (зависит от напряжения, условий эксплуатации и исполнения платы), вопросы электробезопасности и другое.

Помочь во многих вопросах, связанных с разводкой печатной платы может интересная программка Saturn PCB Design. На сайте easyelectronics есть интересная статья по теме. Рекомендую ознакомится – полезно посмотреть, что программа умеет считать.
На обложке статьи картинка из реальной жизни, без спецэффектов. Но об этом уже в следующей части. Рассмотрим примеры устройств, некоторые хитрости и кое-что ещё…

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

  16.08.201312.57 Mб40Зелдович Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений 1966.pdf

• #
• #
• #
• #