Gepost door Jeroen Boere op woensdag 10 december 2003
Foutzoeken in elektronische schakelingen komt vaak op neer op het opsporen van problemen met passieve componenten. Die problemen kunnen variëren van een onjuiste keuze van de componenten of beschadigde componenten die de werking van de schakeling verstoren. Weerstanden brengen elk hun eigen specifieke problemen met zich mee.
Een weerstand is ongetwijfeld de meest simpele passieve component dat er is. Dat wil alleen niet wegnemen dat hij nooit problemen met zich meeneemt. Een typisch voorbeeld van een probleem met een weerstand is het plaatsen van een verkeerde waarde. Dit zal alleen niet zo vaak voorkomen op productie niveau, maar meer op test of hobby niveau.
Soms is er op een weerstand een verkeerde waarde gedrukt (komt trouwens zeer zelden voor) en soms verloopt de waarde ten gevolge van veroudering, oververhitting of de grote temperatuurwisselingen.
Aan de hand van het lijstje hier boven kun je zien dat er een boel verschillende weerstanden op de markt zijn. De kolom TC houd in het temperatuurcoëfficiënt van de weerstand, anders gezegd de invloed van de temperatuur op de waarde van de weerstand.
Koolfilmweerstanden worden tegenwoordig het meest gebruikt omdat deze goedkoop zijn. Het grote nadeel van de weerstanden is dat ze erg slecht bestand zijn tegen overspanningen. Deze eigenschappen gelden trouwens ook voor metaalfilm/composiet-weerstanden.
Precisie-filmweertanden zijn verkrijgbaar met een veel betere nauwkeurigheid en TC. De tolerantie van deze weerstanden kunnen zo laag zijn als 0,01%. Deze weerstanden zijn vergelijkbaar met kleine en (iets) minder kostbare draadgewonden precisie weerstanden. Alleen de zelfinductie van deze weerstanden is hoger dan de koolfilm type. Waardoor het koolfilm type beter geschikt is voor high speed applicaties.
Dikke-filmweerstanden worden in het algemeen aangetroffen in hybride schakelingen. Deze weerstanden zijn vervaardigd van cerment of een ander gepatenteerd materiaal, en worden gebakken en gesinterd nadat ze door middel van zeefdruk op een keramisch substraat zijn aangebracht. De TC ervan is minder goed dan van de dunne koolfilm weerstand.
De beste en de meest stabiele weerstanden zijn de draadgewonden exemplaren. Tegenwoordig zijn vrijwel alle specificaties van precisie filmweerstanden nagenoeg gelijk aan die van hun draadgewonden tegenhangers. Wanneer de waarde echter tussen 100k ohm en 1M ohm ligt, zijn draadgewonden weerstanden kostbaarder en tamelijk fors van afmeting. Ook hebben draadgewonden weerstanden 1 belangrijk nadeel; ze hebben een grote zelfinductie.
Gediffundeerde weerstanden die op grote schaal in IC’s worden gebruikt, hebben enkele vreemde eigenschappen. Ze hebben een grote TC, in de orde van +1600 ppm/°C. Die bovendien ook in een niet-lineare (kwadratische) verband is. Dat betekent dat de weerstand bij hoge temperaturen sneller toeneemt dan dat die daalt bij lagere temperaturen. Maar juist doordat ze erg veel in IC's gebruikt worden zul je er zelf vrij weinig mee te maken hebben.
In veel IC's zoals D/A converters en spanningsreferenties, worden dunne filmweerstanden op de chip aangebracht. Vergeleken met de meeste andere weerstanden hebben deze een ietwat lagere TC van 50-350 ppm/°C, een grotere nauwkeurigheid, een betere stabiliteit op langere termijn.
Bij het vervangen van weerstanden in een schakeling is het dus erg belangrijk te kijken in welke omstandigheden het apparaat gebruikt wordt, te denken aan onder andere temperatuur en vermogen.
Beschadigde weerstanden kunnen ruis of sporadische fouten in een schakeling veroorzaken. Als weerstanden oververhit raken door een te groot vermogen hebben ze de neiging een onderbreking te vormen, ze kunnen dan openbarsten maar geen laagohmige verbinding of kortsluiting veroorzaken.
De nauwkeurigheid of stabiliteit van een weerstand met een grote waarde (10x8 tot 10x12) kan in ernstige mate te leiden hebben onder vuil of vingerafdrukken op het weerstandslichaam. Voorzichtige behandeling en schoonhouden zijn van groot belang bij dergelijke grote weerstanden.
Bij het vervangen van een weerstand zijn dus een aantal dingen belangrijk om op te letten:
Er zijn bipolaire en niet gepolariseerde aluminium of tantaalelco's op de markt. Alleen zijn deze vaak groter en duurder dan de gewone gepolariseerde condensatoren. Daarom zul je ze niet erg vaak tegenkomen in schakelingen. Er zijn ook kleine elektrolytische condensatoren met 3 (!) aansluitdraden op de markt. De middelste draad is de positieve aansluiting en de beide andere zijn de negatieve aansluiting. Deze configuratie biedt niet alleen een geringere zelfinductie, maar ook de mogelijkheid om ze op 2 manieren op de print te monteren, waarbij beide manieren goed zijn! Je kunt ze dus niet meer verkeerd monteren.
Tantaalcondensatoren hebben veel eigenschappen gemeen met aluminium elektrolytische condensatoren. Ze zijn alleen duurder, maar het bedrag dat je er extra voor neer legt krijg je een geringe lekstroom en een iets wat lagere serieweerstand.
Opgerolde en gelaagde foliecondensatoren worden voor talloze doeleinden gebruikt, variërend van kleine koppelcondensatoren tot dikke vermogens filtercondensatoren. De bestanddelen van zo'n condensator bestaat voornamelijk uit de diverse dielektrica.
Polystyreen, polypropyleen en teflon condensatoren hebben een goede TC, ongeveer 120 ppm/°C. Polystyreen en polypropyleen condensatoren bieden een lage lage lekstroom en een goede diëlektrische absorptie. Alleen de teflon condensator staat daarbij aan de top. Het is belangrijk te weten dat bij polystyreen condensatoren de maximale temperatuur 85°C bedraagt. Het is dus erg goed opletten bij het solderen van die type condensatoren dat je ze niet oververhit.
De foliecondensator bestaat uit afwisselende laagjes kunststoffilm en metaalfilm, beide zijn slechts een paar honderdste van een millimeter dik. Dit zorgt voor een goede condensator met een normale afmeting en een normale prijs.
De gemetalliseerde foliecondensator bestaat slechts uit een uiterst dunne polyester film of folie waarop een zeer dun laagje metaal is aangebracht. Dit zorgt voor een nog kleinere afmeting. Het metaallaagje is alleen zo dun dat de stroomvoercapaciteit veel kleiner is dan die van de metaalfolie in een foliecondensator.
Dit heeft voor en nadelen. Wanneer een piepklein gaatje in de kunststof folie van de gemetalliseerde polyestercondensator voor sluiting zorgt zal in het metaallaagje in de directe omgeving van het gaatje kortstondig zo'n hoge stroomdichtheid heersen dat het als een zekering verdampt waardoor de kortsluiting 'hersteld' wordt.
Gedurende vele jaren genoten gemetalliseerde polyestercondensatoren grote populariteit in TV-toestellen met buizen, en wel omdat ze klein en goedkoop waren. De gemetalliseerde condensatoren konden niet één maar meerdere malen herstellen van een doorslag, het zelf herstellende eigenschap.
Alleen bij lage spanningen bleek de in de condensatoren opgeslagen energie dikwijls onvoldoende om een sluiting te herstellen. De betrouwbaarheid van deze condensatoren was zodoende bij lage spanningen aanmerkelijk slechter dan bij de nominale spanning. Als oude gemetalliseerde polyestercondensatoren in TV-toestellen onbetrouwbaar worden raken de signalen sterk verruist door het 'herstellen' van de kortsluitingen. Op dezelfde manier produceren 'droge' tantaalcondensatoren die als audio koppelcondensatoren worden gebruikt, soms een heleboel ruis als ze hun 'lekjes' herstellen. Daarom worden deze condensatoren niet erg veel meer gebruikt in audioschakelingen.
Een ander aspect van de foliecondensator is de vraag of de constructie al dan niet van uitstekende folie gebruik maakt. De aansluitdraden van veel goedkope opgerolde foliecondensatoren zijn slechts aan het uiteinde van de lange stroken metaalfolie bevestigd. Bij een condensator met uitstekende folie echter steekt die folie aan bijde zijden een stukje uit en vormt zo een laagohmige en laag inductieve verbinding met de aansluitdraden.
Deze constructie is uitstekend geschikt voor condensatoren met een lage ESR (Equivalent Series Resistance of ter wijl equivalente serieweerstand) voor gebruik in bijvoorbeeld hoogfrequent filterschakelingen. Als je dus zo’n condensator zou vervangen door een exemplaar zonder het uitstekende folie, zou het filter beduidend slechter functioneren.
We onderscheiden in principe 3 soorten, de 'hoge-K' typen, de 'stabiele-K' typen en de C0G en Np0 typen. De hoge-K typen, zoals die met een 'Z5U'-karakteristiek, bieden een heleboel capaciteit in een klein volume, bijvoorbeeld 10x6 pF in een volume van 7x7mm bij een dikte van zo'n 4mm. Dat is het positieve aan dit type.
Maar er hangen natuurlijk ook nadelen aan vast. Bij een temperatuur van 0°C en bij 55°C is de capaciteit 20% lager dan bij kamertemperatuur! En bij -25°C en +90°C zelfs 60% lager! Hieruit blijkt dus dat het goed opletten is in welke condities een apparaat gebruikt wordt en niet wanneer het niet meer functioneert.
Zilver-mica condensatoren hebben veel eigenschappen gemeen met C0G-condensatoren. Ze hebben een lage ESR en een TC van 0-100 ppm/°C. Ook zijn ze bruikbaar bij temperaturen boven de 200°C, vooropgesteld dat ze met hoge temperatuur soldeertin zijn vervaardigd. Helaas bezitten ze ook een slechte 'opzuigings' karakteristiek, de diëlektrische adsorptie is onverwacht slecht.
Een heel groot probleem bij zilver-mica condensatoren wordt gevormd door de markering. Zilver-mica condensatoren in oude radiotoestellen waren voorzien van een volkomen ondoorgrondelijke markering, namelijk 6 gekleurde stippen. Sommige nieuwe exemplaren zijn zo vreemd gecodeerd dat je, zelf als de markering niet is afgesleten, nooit zeker kunt weten of 10C00 nou 10, 100 of 1000pF betekent. Je kunt dan niet zonder een capaciteitmeter, wat trouwens sowieso een zeer goede vriend van de reparateur is.
Variabele condensatoren worden in het algemeen gemaakt van een 'lage-K' materiaal, wat vergelijkbaar is met dat van de C0G-condensatoren. De elektrische eigenschappen zijn uitstekend. Het diëlektricum veroorzaakt weinig problemen, maar de metalen sleepcontacten of elektroden zijn bij sommige modellen aardig dun. Na slechts een paar malen of tientallen of honderden malen is het metaal versleten en maakt het dus geen contact meer met de feitelijke condensator.
Over het algemeen zijn condensatoren bijzonder betrouwbare componenten en als je ze niet verzengt of elektrocuteert, zullen klein signaal typen tot duizenden jaren mee gaan, en elektrolytische typen in elk geval vele jaren. De enige manier waarop je met een onbetrouwbare condensator kan worden geconfronteerd is dat je een type gebruikt dat niet voor de specifieke taak geschikt is, denk daarbij aan bijvoorbeeld HF doeleinden.
Let trouwens goed op bij het bestellen en het gebruiken van elektrolytische condensatoren dat je het 110°C type gebruikt en niet de 85°C.
De taak van een diode is aardig eenvoudig: in geleiderichting de stroom doorlaten, en in sperrichting de stroom tegenhouden (met een verwaarsloosbare lekstroom). Dat lijkt aardig eenvoudig maar geen diode is volmaakt, en de onvolmaaktheden van dioden zijn interessant. Zelfs deze tweepolige componenten blijken een behoorlijk complex gedrag te vertonen.
Alle dioden beginnen bij lage signaalniveaus exponentieel stroom te geleiden, vanaf nano-ampères. Een ideale diode vertoont een exponentiele karakteristiek met een helling deltaU geldeelt door deltaI van:
G=(38,6 mS/mA) maal If
Waarbij mS het aantal milisiemens is en If de voorwaardse stroom.
De emitter van een transistor vertoont bij kamertemperatuur inderdaad deze helling, corresponderend met 60mV per factor tien stroom. Maar de hellingen van de exponentiele curven van verschillende 'echte' (tweepolige) dioden vertonen een aanzienlijke variatie. Bij sommig (zoals de 1N645) is de helling inderdaad 70 of 75mV per decade.
Andere zoals de 1N914 vertonen een helling van niet meer dan zo'n 113mV per decade. En weer andere zitten daar tussenin met waarden van 90mV per decade. Dit staat alleen nooit vermeld in de datasheets!
Hoe lang heeft een stroomvoerende diode nodig om uit te schakelen? Dat is ook weer een eigenschap die een grote spreiding vertoont. Trage dioden kunnen tientallen tot honderden microseconden nodig hebben om uit te schakelen. Bij collector-basis overgang van een 2N930 kan het 30 micro seconden duren om de stroom van 10 mA tot minder dan 1mA te knijpen, en nog langer om het nano ampère gebied te bereiken. Dit is voornamelijk de schuld van de recombinatietijd van de ladingdragers die in de collector regio van de transistor zijn opgehoopt. Andere dioden, vooral de met goud gedoteerde typen schakelen veel sneller uit, in de orde van nano seconden. Schottky dioden zijn nog weer veel sneller.
Schakelende voedingen hebben zonder uitzondering behoefte aan dioden en 'zware gelijkrichters' en transistoren die snel uitschakelen. Als de herhalingsfrequentie hoog is en de stroom groot kan een traag sperrende diode defect raken ten gevolge van oververhitting. Zo functioneert een 1N4002 bij 20 of 40kHz erg slecht tot bijna niet.
In sommige gevallen kun je wanneer je een niet al te grote stroom nodig hebt bij hoge snelheden een aantal 1N914's parallel zetten. Schottky gelijkrichtdioden zijn zelfs nog sneller, maar die zijn niet verkrijgbaar met een hoge doorslagspanning. Wanneer je dus snelle schakelende voedingen repareert bijvoorbeeld er veel voorkomend in een videorecorder, moet je dus echt weten wat je doet.
Computerdioden zoals de 1N914 genieten grote populariteit omdat ze erg snel uit schakelen, binnen enkele nanoseconden. Dat is veel sneller dan dioden met een lage lekstroom. Alleen is minder bekend het feit dat deze snellere dioden niet alleen snel uit schakelen maar dat ze doorgaans ook erg snel in schakelen. Wanneer je bijvoorbeeld een stroom van 1mA in de anode van een 1N914 stuurt waar een capaciteit van 40pF aan parallel staat zal de 1N914 doorgaans in minder dan 1ns in schakelen!
Zo ongeveer alle dioden slaan door als je een te hoge sperspanning aanlegt. Alleen zenerdioden zijn zo ontworpen om op een voorspelbare en nette manier door te slaan. De bekendste oorzaak van problemen met zeners is dat je ze 'uithongert'.
Wanneer je te weinig stroom door een zener laat lopen zal die sterk gaan ruisen. Veel zeners vertonen een schone en scherpe 'knie' bij een kleine sper instelstroom, maar die scherpe knie is niet gegarandeerd beneden de nominale kniestroom.
Sommige zeners presteren niet best ongeacht hoe zorgvuldig je ze ook instelt. In tegenstelling tot zeners voor hogere spanningen, zijn de prestaties van zeners voor lage spanningen (3,3 tot 4,7V) niet best, met slechte ruis en impedantie specificaties en een beroerde temperatuurcoëfficiënt. De reden is dat zenerdioden voor spanningen van meer dan 6V eigenlijk avalanchedioden zijn, met een werkingsmechanisme dat sterk verschilt van dat van de laagspanningstypen.
Bij lage spanningsniveaus genieten bandgap referenties zoals de LM336 en de LM385 de nodige populariteit omdat ze beter presteren dan laagspanningszeners.
Hoewel transistoren, zowel bipolaire als MOSFET's immuun zijn voor veel narigheid, kun je er nog altijd problemen mee ondervinden. Transistoren zijn erg krachtig en veelzijdig, met een handje vol kun je vrijwel elke high-performance schakeling bouwen.
Aan de andere kant bezitten torren eveneens een uniek talent om problemen te veroorzaken. Een simpele versterker bijvoorbeeld zal waarschijnlijk de geest geven als je de ingang naar een van de voedingsspanningen kortsluit, of de uitgang aan de massa gooit. Gelukkig zijn de meeste opamps tamelijk vergevingsgezind, zodat ze zo'n mishandeling doorgaans overleven.
Toen de opamps van het type uA741 en de LM101 werden ontworpen, werden extra transistoren ingebouwd om te garanderen dat de in en uitgangen een dergelijke marteling konden doorstaan. Maar een individuele transistor raakt gemakkelijk beschadigd door een te grote ingangsstroom, zowel in voorwaartse als in sperrichting. En vrijwel elke transistor kan smelten.
Een simpel maar vaak niet meteen voor de hand liggend probleem is een onjuiste montage van een vervangen transistor. Omdat de transistor over drie pootjes beschikt is de kans op onjuiste montage aanzienlijk groter dan bij een simpele diode.
Kleinsignaaltransistoren worden zo dicht op de print gemonteerd dat je niet kunt zien of de pootjes zijn verwisseld of sluiting maken. Bij het monteren van een transistor is het tevens goed opletten welk type je in handen hebt, de PNP of de NPN.
Bij het vervangen van een transistor, bijvoorbeeld het BC547 type die verkrijgbaar zijn in het a, b, c of niks type, moet je opletten naar het achtervoegsel. Het geeft namelijk de versterkingswaarde HFE aan. Als er niks achter staat dan schommelt het tussen a en c.
Bij een gegeven werkstroom bezitten FET's normaal een veel lagere Gm dan bipolaire transistoren. Daarnaast kan de VGS van een FET over een groot bereik variëren, waardoor de instelling soms lastiger is dan bij bipolaire torren.
JFET's werden in de jaren 80 bijzonder populair omdat ze geschikt bleken voor de constructie van analoge elektronische schakelaars met een ON weerstand van 30 ohm of minder. JFET's maken ook de constructie mogelijk van goede opamps met een geringere ingangsstroom dan bipolaire opamps, tenminste bij lage tot gemiddelde temperaturen. JFET's kunnen een grotere gatestroom verdragen wanneer er een stroom door de source vloeit dan wanneer er geen sourcestroom (die IGSS genoemd wordt) loopt.
MOSFET's worden op grote schaal toegepast in digitale IC's maar zijn ook erg populair en bruikbaar in analoge schakelingen, zoals schakelaars. De viervoudige schakelaars van het type CD4016 en CD4066 (het 4016 type heb ik vorige week trouwens net vervangen in een gitaarswitch van het merk Marshall omdat hij niet meer vlekkenloos schakelde) genieten terecht populariteit vanwege hun lage lekstroom en lage kostprijs. Opamps met MOSFET ingangen beginnen het goed te doen op de markt voor universele opamps.
MOSFET's hadden vroeger een slechte reputatie omdat ze zeer sterk ruisten, maar nieuwe IC's zoals de LMC622 dual opamp bewijzen dat het probleem kan worden opgelost door een 'schoon' fabricageprocedé zodat MOSFET's zich nu kunnen meten met BiFET's. Ze bieden het voordeel van duidend maal kleinere ingangsstroom. De meeste lineaire IC's met MOSFET ingangen zijn wel voorzien van protectiedioden, en zijn wellicht bestand tegen 600V een elektrostatische lading van 2000V zullen ze echter meestal niet overleven. Wanneer je aan de slag gaat met onbeschermde MOSFET's zoals de 3N160 moet je de aansluitdraden zorgvuldig kortgesloten houden tot de component op de print wordt gesoldeerd waar de externe protectiedioden al zijn geïnstalleerd.
Je vinger is een tamelijk goede warmtedetector (pas alleen op dat je die niet aan hoogspanning of zeer hete componenten brand). Een goede vuistregel is de 5 seconden regel: als je je vinger 5 seconden op een hete component kunt houden is het koellichaam in orde en bedraagt de temperatuur van de behuizing maximaal ongeveer 85°C.
Als een component een hogere temperatuur heeft en te heet is om aan te raken bevochtig je je vinger met een druppeltje speeksel en houdt die dan een fractie van een seconde tegen het onderdeel. Wanneer het vocht snel opdroogt bedraagt de temperatuur waarschijnlijk ongeveer 100°C, en als het vocht meteen weg kookt wellicht zo'n 140°C.
Je kunt natuurlijk ook voor vele duizenden euro's een beeldvormende infrarood detector aanschaffen, zodat je je vingers niet brand. Je kunt dan de fraaiste kleuren plaatjes op het TV scherm bewonderen inclusief contourkaarten van gebieden met gelijke temperaturen.
Zo, dit is mijn aandeel voor deze geweldige site. Als je nog vragen hebt kun je me natuurlijk mailen.
En voor de liefhebbers heb ik dit document ook nog wel compleet, inclusief foto's als PDF bestand. Als je deze wil hebben zou je me dus even moeten mailen.
Geschreven door Rob Mulder (voor het mail adres, klik op de naam).
