Digitale und analoge Fehlerbehebung

Werkzeuge und Techniken, die dem Techniker helfen, Fehler in Schaltkreisen, Signalen und Antrieben zu finden

Physikalische Größen können entweder analog oder digital durch numerische Werte dargestellt werden. Das analoge Verfahren kann als einfache Gleitskala visualisiert werden, in der die numerischen Werte als an jedem Punkt entlang eines Kontinuums liegend ausgedrückt werden können. Sie können Null sein oder einen positiven oder negativen Wert haben, der eine ganze ganze Zahl oder ein Bruchteil ist, der sich von beiden Seiten von Null bis Unendlich erstreckt.

Im Gegensatz dazu wird im digitalen Protokoll der numerische Wert einer physikalischen Größe durch quantisierte Schritte mit nur vorbestimmten diskreten Pegeln dargestellt. Die meisten derzeit verwendeten digitalen Systeme sind binär, obwohl eine Basis 10, Basis 16 oder jede andere Menge verwendet werden kann. Das Binärsystem eignet sich gut für elektronische Anwendungen, da 1 und 0 durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Spannung oder durch zwei getrennte Spannungen – eine hoch und eine niedrig – dargestellt werden können. Um eine Basis-10-Logik zu implementieren, wäre die Anzahl der unterschiedlichen Spannungen unhandlich und fehleranfällig. Der Kompromiss besteht darin, dass im Binärsystem mehr Ziffern benötigt werden, um einen bestimmten Wert darzustellen, aber durch das Wunder der elektronischen Zahlenverarbeitung ist dies kein Problem.

Lernziele

Nachdem Sie diesen Artikel gelesen haben, sollten Sie Folgendes erfahren haben:
♦ Korrigieren Sie hohe und niedrige Spannungen von TTL- und CMOS-Logikschaltungen
♦ Eigenschaften eines Taktsignals
♦ Arten von digitalen Testgeräten
♦ Fehlerbehebungsmethoden für digitale und analoge Schaltungen
♦ Funktionsweise und sichere Einstellung von VFDs

Natürlich ist unsere reale Welt außerhalb der Quantendomäne eher analog als digital. Daher verfügen digitale Geräte über Eingänge, die analoge Signale akzeptieren. Nach der Dämpfung oder Verstärkung wird diese Energie mit Hilfe einer relativ einfachen Vorrichtung, die als Analog-Digital-Umsetzer bekannt ist, in Ströme von digitalen Impulsen umgewandelt. In ähnlicher Weise muss der Ausgang normalerweise analog sein (z. B. zum Ansteuern eines Lautsprechers), sodass ein Digital-Analog-Wandler erforderlich ist.

Die ersten digitalen Maschinen wurden mit mechanischen Schaltern und Relais gebaut. Hitze, Größe, Zuverlässigkeit und Kosten setzten dieser Technologie obere Grenzen. Die Fortschritte begannen in den 1940er Jahren mit der Einführung der Festkörperdiode. Lautlose Transistoren und integrierte Schaltkreise ersetzten schnell Reihen von klackernden Relais. Wesentlich niedrigere Betriebsspannungen und reduzierter Stromverbrauch, zusammen mit der Miniaturisierung der Komponenten, kennzeichnen jetzt elektronische Kommunikations- und Steuerschaltungen, die in Telefonzentralen, Aufzugsmaschinenräumen und überall in Industrieanlagen zu finden sind.

Die Transistor-Transistor-Logik (TTL) wird typischerweise mit +5 V versorgt. Wenn 5.25 V überschritten werden, kann das Gerät beschädigt werden. Wenn ein TTL-NOR-Gatter oder ein anderes Gerät auf einem Potenzial von 0 bis +0.8 V liegt, reagiert das Gatter auf einen logisch hohen Eingang. Wenn es sich um ein invertierendes NOR-Gatter handelt, ist der Ausgang logisch niedrig. Beim Anlegen von +2 bis +5 V an den Eingangsklemmen reagiert das Gate auf seinen früheren logischen Low-Zustand. Logisch hoch ist die Antwort, wenn das Gerät wiederum ein invertierendes NOR-Gatter ist.

Komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-(CMOS)-Technologie wird derzeit weit verbreitet verwendet. Im Gegensatz zu TTL kann die Versorgungsspannung von +3 bis +15 betragen. Die hohen und niedrigen Pegel werden anders dargestellt als in TTL. Sie werden auf einen Bruchteil der Versorgungsspannung eingestellt. Liegt die Versorgungsspannung zwischen 3 und 10 V, ist der logische High-Pegel größer als 7/10 der Versorgungsspannung mit einer Toleranz von 0.5 V. Der logische Low-Pegel ist eine Spannung kleiner als 3/10 der Versorgungsspannung, mit gleicher Toleranz. Wenn die Versorgungsspannung jedoch zwischen 10 und 18 V liegt, sind der logisch hohe und der logisch niedrige Pegel dieselben Bruchteile der Versorgungsspannung. Allerdings steigen die Toleranzen in beiden Fällen auf 1 V.

Diese Metriken mögen kompliziert erscheinen, aber Tatsache ist, dass bei der Fehlersuche in digitalen Schaltungen die Toleranzen sehr wichtig sind. Bei fehlerhaftem Betrieb prüfen, ob diese Spannungen innerhalb der oben genannten Spezifikationen liegen. Digitaler Speicher besteht aus Basis-Latches, die aus querverbundenen NOR-Gattern konfiguriert werden können. Diese werden oft als „Flip-Flops“ bezeichnet, aber dies ist eine falsche Bezeichnung, da ein Latch ein asynchrones Gerät ist, während ein Flip-Flop getaktet ist und im Takt mit Taktimpulsen arbeitet. Der Latch hingegen ist ein asynchrones Gerät.

Synchrone digitale Geräte erfordern Taktschaltungen, die ausfallen können. Das Taktsignal ist typischerweise eine Rechteckwelle, die zwischen hohen und niedrigen Pegeln mit einem Tastverhältnis von 50 % wechselt. Integrierte Schaltungen (ICs), die überhaupt komplex sind, beruhen auf einem Taktsignal, das den Gesamtbetrieb synchronisiert. Manchmal ist mehr als ein Taktsignal erforderlich. Taktsignale sind im Allgemeinen einphasig, was bedeutet, dass sie sich über einen Draht ausbreiten, aber mehrphasige Taktsignale wurden verwendet. Die Häufigkeit kann variieren, was nicht unbedingt nachteilig ist. Ein Taktmultiplikator erhöht die Betriebsgeschwindigkeit zugunsten eines Mikroprozessors, so dass er schneller als andere Schaltungen laufen kann. Neuere Computer verfügen über immer schnellere Taktraten, was die Leistung verbessert.

Tools zur Fehlerbehebung

Zur digitalen Fehlersuche gehören zum Handwerkszeug ein gutes hochohmiges Multimeter, ein Oszilloskop, ein Logiktastkopf, ein Logikpulser und ein digitaler Strommesser. Diese werden in den folgenden Abschnitten besprochen.

Multimeter

Das Multimeter ist das grundlegendste Diagnosewerkzeug des Elektronikers. Im Ohm-Modus kann das Multimeter Lötbrücken zwischen benachbarten Leiterbahnen erkennen. Kalte Lötstellen, schlechte Bändchenstecker und so weiter werden schnell aufgedeckt. Es eignet sich auch gut zum Überprüfen von Dioden und Elektrolytkondensatoren, wie sie in der Stromversorgung zu finden sind. Im Volt-Modus eignet sich ein gutes Multimeter hervorragend, um schnell den analogen Aspekt eines Frequenzumrichters (VFD) zu überprüfen. Die dreiphasige Stromversorgung kann auf gleiche Spannungen zwischen den Beinen und zwischen jeder Phase und Masse überprüft werden. Dieselben Messungen können an den Motorklemmen vorgenommen werden. Der DC-Bus muss Messwerte innerhalb der Spezifikationen liefern. Im AC-Volt-Modus kann schädliche Welligkeit erkannt werden. Im ausgeschalteten Zustand und mit abgelassenen gespeicherten Spannungen können fehlerhafte Dioden und Elektrolytkondensatoren isoliert werden, und einer davon ist wahrscheinlich der Übeltäter. Wenn es um digitales Arbeiten geht, kann mit dem Multimeter im DC-Volt-Modus festgestellt werden, ob Versorgungsspannung, Logic-Low- und Logic-High-Spannung sinnvoll sind.

Es muss betont werden, dass alle Spannungsmessungen mit einem hochohmigen Messgerät durchgeführt werden müssen, um eine Belastung des zu testenden Geräts oder Schaltkreises zu vermeiden. Tritt eine solche Belastung auf, können die Geräte beschädigt werden oder zumindest die Messung wird ungültig. Ein billiges 10-US-Dollar-Messgerät aus dem Baumarkt mag für die Verkabelung zu Hause ausreichend sein, für digitale Diagnosearbeiten ist jedoch ein High-End-Multimeter mit erweiterten Funktionen erforderlich. Rechnen Sie damit, fast 500 US-Dollar zu zahlen.

Oszilloskop

Das Mixed-Signal-Oszilloskop (MSO) ist ein hervorragendes Instrument, mit dem viele zuvor schwierige digitale Fehlersuchprobleme problemlos gelöst werden können. Das operative Konzept besteht darin, dass sehr oft eine fehlerhafte digitale Wellenform wie ein Runt (Puls mit zu geringer Amplitude) durch eine Anomalie im Analogteil ausgelöst wird. Das MSO ist in der Lage, analoge und digitale Wellenformen gleichzeitig und zeitlich korreliert (mit derselben X-Achse) anzuzeigen, was mit dem richtigen Tool ebenfalls eine einfache Aufgabe ist.

Logiksonde

Der Logiktastkopf ist hervorragend geeignet, um schnell zwischen Ein- und Ausgängen zu wechseln, um herauszufinden, ob der Logikzustand hoch, niedrig oder nicht vorhanden ist. Es besteht aus einem kompakten Körper mit einer leitfähigen Spitze an einem Ende. Es gibt zwei Leitungen, eine rote und eine schwarze. Krokodilklemmen ermöglichen den Anschluss des schwarzen Kabels an die Schaltungsmasse oder die negative Seite des Netzteils. Das rote Kabel sollte an die positive Schiene des Netzteils oder an eine andere geeignete Klemme angeschlossen werden.

Über einen Schiebeschalter am Gehäuse kann der Logiktastkopf wahlweise für TTL- oder CMOS-Arbeiten eingerichtet werden. Lesen Sie die Anweisungen des Herstellers (online verfügbar), um die LED- und/oder akustischen Anzeigen zu interpretieren. Da es sich um ein hochohmiges Gerät handelt, kann die Sonde mit nahezu jedem Pin oder Schaltungsknoten berührt werden, ohne befürchten zu müssen, dass das Instrument oder der zu testende Schaltkreis beschädigt wird. Da der Logiktastkopf über das rote und schwarze Kabel von der Platine mit Strom versorgt wird, ist keine Batterie erforderlich.

Logikpulser

Eine übliche Situation besteht darin, dass der zu testende Schaltkreis an eine funktionierende vorgeschaltete Stufe angeschlossen wird. Wenn dies der Fall ist, ist es einfach, den Logiktastkopf mit den verschiedenen Eingangs- und Ausgangspins und externen Schaltungstestpunkten zu berühren, um zu sehen, ob an dieser Stelle logisch hoch oder logisch niedrig vorhanden ist. Wenn jedoch keine High- oder Low-Logik beobachtet wird, möchte der Fehlersucher manchmal einen bekanntermaßen guten Impuls an einen IC-Eingang oder einen Schaltungsanschluss injizieren. Dies geschieht mit Hilfe eines Logikpulsers.

Der Logikpulser sieht aus wie der Logiktastkopf. Es hat einen Instrumentenkörper mit einer spitzen leitfähigen Sondenspitze und roten und schwarzen Kabeln mit Krokodilklemmen. Wie beim Logiktastkopf ist das schwarze Kabel mit der Chassis- oder Schaltungsmasse verbunden und das rote Kabel mit der positiven Schiene.

Digitaler Strom-Tracer

Für eine erfolgreiche Fehlersuche bei digitalen Geräten ist der digitale Strommesser, obwohl er weniger häufig verwendet wird, in bestimmten Situationen sehr wertvoll. Oberflächlich gesehen ähnelt es dem digitalen Logiktastkopf und dem digitalen Pulser, aber das Innenleben ist völlig anders. Während der Logiktastkopf und der Impulsgeber über leitfähige Nadelspitzenelektroden verfügen, die einfach mit den digitalen Ausgängen berührt werden, verfügt der digitale Strommesser über einen magnetischen Abtastkopf. Es reagiert empfindlich auf das Magnetfeld, das einen Leiter oder eine Leiterbahn umgibt, durch die Strom fließt. Dies funktioniert unabhängig davon, ob der Draht isoliert ist oder nicht.

Um einen guten Messwert zu erhalten, ist es notwendig, den digitalen Strommessfühler senkrecht über den Leiter zu halten. Außerdem hat die Spitze des Strommesstasters einen Punkt, der mit der Stromflussrichtung ausgerichtet sein muss. Eine an der Sondenspitze angeordnete Anzeigelampe variiert in Abhängigkeit von der Stromstärke in ihrer Helligkeit. Es ist über einen weiten Bereich empfindlich, 1 mA bis 1 Ampere. Es gibt einen Regler zum Einstellen der Empfindlichkeit. Um eine Stromquelle oder -senke zu lokalisieren, bewegen Sie einfach den digitalen Strommesser entlang des Strompfads und achten Sie auf Änderungen der Lampenhelligkeit.

Mit dem digitalen Strommessgerät kann der Techniker einen Fehler innerhalb eines Mikrochips erkennen, aber die wirkliche Leistung des Instruments besteht darin, eine fast unsichtbare Lötbrücke zwischen benachbarten Leiterbahnen oder eine kalte Lötstelle zu isolieren, die den Elektronenfluss unterbricht. Fehler wie diese können, wenn sie einmal lokalisiert sind, korrigiert und der Betrieb wiederhergestellt werden, ohne dass auf einen massiven Austausch von Halbleiterbauelementen zurückgegriffen werden muss.

Fehlerbehebungstechniken

Neben der Verwendung der oben beschriebenen digitalen Fehlerbehebungstools gibt es einige andere Verfahren, die bei der Identifizierung ausgefallener Schaltungen und Komponenten effektiv sind. Die folgenden Kommentare gelten sowohl für digitale als auch für analoge Probleme.

Häufig enthält ein elektronisches Gerät parallele – teilweise oder ganz identische – Subsysteme. Ein Beispiel wäre eine Reihe von Aufzügen oder ein einzelner Aufzug, der mehrere Stockwerke bedient. Die Türsensoren und -steuerungen sind normalerweise im Wesentlichen identisch. In solchen Fällen können Teile ausgetauscht werden, um zu sehen, ob sich der Fehler bewegt.

Ein weiteres Beispiel sind Stereo-Sound-Geräte. Komponenten wie Lautsprecher oder Kabel von Endverstärkern zu Lautsprechern können umgeschaltet werden, um zu sehen, ob der Betrieb beeinträchtigt ist. In solchen Fällen funktioniert das früher ausgefallene System normal und das früher gute System wird nicht mehr funktionieren. Ebenso kann es möglich sein, Komponenten als Diagnoseverfahren zu wechseln, wenn zwei separate identische Elemente vorhanden sind. Die Durchführbarkeit dieser Technik hat viel mit der körperlichen Schwierigkeit der Veränderung zu tun. Manchmal ist es sinnvoller, passivere Techniken zu verwenden, wie z Beine über einen Zeitraum von mehreren Stunden).

Durch das Beobachten der Methoden der TV-Reparaturtechniker kann man viel lernen, denn dies ist ein sehr umfangreiches und gut dokumentiertes Feld. Ein anhaltendes Problem, das bei allen Arten von Geräten, sowohl digital als auch analog, auftritt, ist der intermittierende Betrieb. Dies kann im Hinblick auf die Eingrenzung des defekten Bauteils schwierig zu diagnostizieren sein, da der Fehler genau bei Reparaturversuchen verschwindet. Das Problem kommt und geht, da es hitze- oder vibrationsempfindlich sein kann. Manchmal gibt es einen unsichtbaren Riss in einer Leiterplatte oder einem Bauteil wie einem drahtgewickelten Widerstand, der sich als Reaktion auf Temperaturänderungen öffnet und schließt. Fernsehtechniker erhitzen oder kühlen Komponenten oft einzeln, um zu sehen, ob der Fehler auftaucht oder verschwindet. Dies kann mit einem Lötkolben erfolgen, der in einiger Entfernung über einem Mikrochip gehalten wird, um ihn gerade genug zu erhitzen, um den Fehler hervorzuheben, aber nicht genug, um ihn zu beschädigen, wenn er sich als nicht fehlerhaft erweist. Alternativ gibt es den handelsüblichen „Component Chiller“ in einer Spraydose. Wird das Spray auf den mutmaßlichen Täter gerichtet, wird es schlagartig abgekühlt und der Fehler verschwindet. (Diese Technik ist nur für die Diagnose geeignet und ist als Reparatur nicht effektiv. Der Komponentenkühler wird auch verwendet, um Halbleiter mit kurzen Leitungen vorzukühlen, damit sie beim Löten nicht beschädigt werden.)

Eine weitere Diagnosetechnik, die mit guter Wirkung eingesetzt werden kann, besteht darin, fragwürdige Komponenten zu entfernen, die für den korrekten Betrieb des Systems als Ganzes nicht wesentlich sind. Beispielsweise können mehrere Telefone an sternförmig angeordneten Buchsen angeschlossen werden. Es kommt vor, dass ein interner Kurzschluss von Leitung zu Leitung bei einem der Telefone das gesamte System in Mitleidenschaft zieht. Insbesondere wird kein Freizeichen ausgegeben. Telefone können einzeln getrennt werden, um zu sehen, ob der Betrieb wiederhergestellt ist. Die gesamte Installation kann getestet werden, indem nacheinander eine Ader jedes Paares bei abgeklemmt wird the source. Eine ähnliche Technik kann für Erdschluss-Leistungsschalter in einem Nebenstromkreis eines Gebäudes oder für einzelne Computer verwendet werden, die über Kabel der Kategorie 5e oder andere Medien mit einem Ethernet-Hub, -Switch oder -Router verbunden sind.

Eine letzte Lektion, die wir vom TV-Servicetechniker lernen können, ist die Durchführung einer Signalverfolgung. Am Eingang einer geeigneten Stufe wird ein von einem Signalgenerator abgeleitetes Hochfrequenz-, Zwischenfrequenz- oder Audio-, Video- oder zusammengesetztes Signal eingespeist. Dann werden Oszilloskop-Messwerte an aufeinanderfolgenden Ausgängen vorgenommen, wobei auf Verzerrungen oder das Fehlen des Signals geachtet wird. Service-Schaltpläne enthalten charakteristischerweise Grafiken an ausgewählten Stellen in der abgebildeten Schaltung, die zeigen, wie eine normale Anzeige aussehen sollte. Mit diesen Informationen geht es im nächsten Schritt darum, das defekte Bauteil einzukreisen.

Moderne Technologie

Festkörperelektronische AC-Motorantriebe in Verbindung mit Drehstrom-Asynchronmotoren haben alte DC-Motoren in Aufzugsmaschinenräumen weitgehend ersetzt. Gleichstrommotoren sind einfach im Aufbau und lassen sich, wie es für den Aufzugsbetrieb erforderlich ist, einfach durch Umpolen der Zweidraht-Stromversorgung umpolen. Darüber hinaus (und auch für den Aufzugsbetrieb erforderlich) kann die Motordrehzahl einfach und stufenlos durch Einstellen des Stroms durch die Feldwicklungen geändert werden. All dies geschieht ohne auf ein teures Getriebe zurückzugreifen, was bei Ausfall zu umfangreichen Stillstandzeiten führen könnte.

Das schwache Glied in dieser Kette war die Kommutator-Bürsten-Einheit. Wegen unvermeidlicher Lichtbogenbildung und mechanischem Verschleiß durch Reibung mit dem Kommutator hatten die Bürsten immer eine endliche Lebensdauer, und der Wechsel war zwar keine schwierige Aufgabe, musste aber dennoch durchgeführt werden. Geschieht dies nicht immer rechtzeitig, kann der Kommutator beschädigt werden, was eine weitaus zeitaufwändigere Reparatur erfordert.

Die Richtung konnte umgekehrt werden, aber die Geschwindigkeit konnte bei frühen Drehstrom-Induktionsmotoren nicht ohne weiteres reguliert werden, und viele Jahrzehnte lang trieben Gleichstrommotoren die meisten Aufzüge an, obwohl der Wechselstrom gleichgerichtet werden musste, um sie anzutreiben. All dies änderte sich in den 1960er Jahren schlagartig mit der Einführung des frequenzgeregelten Antriebs (VFD). Die Terminologie wird auch als „drehzahlregelbarer Antrieb“ bezeichnet und kann sich auf den elektronischen Antrieb plus Motor oder auf den Antrieb allein beziehen.

Die grundlegende Bedienung ist einfach und findet in der Regel in einem Konvektions- oder lüftergekühlten Gehäuse statt. Der ankommende dreiphasige Wechselstrom wird mit Standarddioden und Elektrolytkondensatoren gleichgerichtet und gefiltert. Die einigermaßen welligkeitsfreie Energie wird über einen Dreileiter-Gleichstrombus zu einem Wechselrichterabschnitt geleitet, wo eine Wechselstromeinspeisung synthetisiert und anschließend über entsprechend bemessene Leiter dem Motor zugeführt wird. Die einzigartige Wellenform des VFD-Ausgangs macht den Drehmoment- und Drehzahlbereich des Motors möglich.

Versucht man, die Drehzahl eines Wechselstrommotors durch Variation der an den Stator angelegten Spannung anzupassen, kann die Rotordrehzahl etwas reduziert werden, aber diese Methode ist unbefriedigend, da die langsamere Drehzahl mit einem starken Wärmeanstieg einhergeht, da der Motor in Effekt, überlastet, wenn sie unterhalb der Nennspannung betrieben wird. Der VFD-Ausgang besteht nicht aus einer Sinuswelle unterschiedlicher Amplitude, sondern aus einer Reihe von Rechteckwellen. Die Pulsbreiten können variieren und umfassen unterschiedliche Arbeitszyklen. Durch die Verengung des Pulses kann der Motor ohne schädliche Wärmeentwicklung abgebremst werden und nur einer reduzierten Drehzahl eines eventuell an der Welle angebrachten Kühlgebläses ausgesetzt werden. Eine kompensierende Kühlung kann bei Bedarf auf andere Weise erreicht werden.

Der Wechselrichterabschnitt des VFD ist notwendigerweise über eine Benutzerschnittstelle, Türsensoren, Feuermelderverbindung usw. mit der Bewegungssteuerung des Aufzugs verbunden.

Fragen zur Lernverstärkung

Verwenden Sie die unten stehenden Fragen zur Lernverstärkung, um für die Weiterbildungsbewertungsprüfung zu lernen, die online unter www.elevatorbooks.com oder auf S. 129 dieser Ausgabe.
♦ Wie hoch sind die Betriebsspannungen für TTL- und CMOS-Logik?
♦ Ist es immer schädlich, wenn eine Taktsignalfrequenz variiert? Warum oder warum nicht?
♦ Was sind die Hauptabschnitte eines VFD?
♦ Wie erkennt ein MSO-Oszilloskop defekte Abschnitte eines VFD?
♦ Was sind die am häufigsten verwendeten digitalen Fehlerbehebungstools?