Risoluzione dei problemi digitali e analogici

Strumenti e tecniche per aiutare il tecnico a trovare guasti in circuiti, segnali e azionamenti

Le grandezze fisiche possono essere rappresentate da valori numerici in analogico o digitale. Il metodo analogico può essere visualizzato come una semplice scala mobile in cui i valori numerici possono essere espressi come localizzati in qualsiasi punto lungo un continuum. Possono essere zero o avere un valore positivo o negativo che è un intero intero o un importo frazionario che si estende da entrambi i lati dello zero all'infinito.

Al contrario, nel protocollo digitale, il valore numerico di una grandezza fisica è rappresentato da passi quantizzati aventi solo livelli discreti predeterminati. La maggior parte dei sistemi digitali attualmente in uso sono binari, sebbene sia possibile utilizzare una base 10, una base 16 o qualsiasi altro importo. Il sistema binario è adatto alle applicazioni elettroniche, perché 1 e 0 possono essere rappresentati dalla presenza o assenza di una tensione o da due tensioni separate, una alta e una bassa. Per implementare una logica in base 10, il numero di tensioni diverse sarebbe ingombrante e soggetto a errori. Il compromesso è che nel sistema binario sono necessarie più cifre per rappresentare un dato valore, ma grazie al miracolo del calcolo elettronico dei numeri, questo non è un problema.

obiettivi formativi

Dopo aver letto questo articolo, dovresti aver appreso:
♦ Correggere le alte e le basse tensioni dei circuiti logici TTL e CMOS
Caratteristiche di un segnale di clock
♦ Tipi di apparecchiature di prova digitali
♦ Metodi di risoluzione dei problemi per circuiti digitali e analogici
♦ Come funzionano i VFD e come regolarli in sicurezza

Naturalmente, il nostro mondo reale, al di fuori del dominio quantistico, è analogico, piuttosto che digitale. Pertanto, l'apparecchiatura digitale dispone di ingressi che accetteranno segnali analogici. Dopo attenuazione o amplificazione, questa energia viene tradotta in flussi di impulsi digitali per mezzo di un dispositivo abbastanza semplice noto come convertitore analogico-digitale. Allo stesso modo, di solito è necessario che l'uscita sia analogica (ad esempio, per pilotare un altoparlante), quindi è necessario un convertitore digitale-analogico.

Le prime macchine digitali furono costruite utilizzando interruttori e relè meccanici. Calore, dimensioni, affidabilità e costi hanno posto limiti superiori a questa tecnologia. I progressi iniziarono negli anni '1940 con l'introduzione del diodo a stato solido. Transistor silenziosi e circuiti integrati sostituirono rapidamente file di relè tintinnanti. Tensioni operative molto più basse e consumo energetico ridotto, insieme alla miniaturizzazione dei componenti, caratterizzano ora i circuiti di comunicazione e controllo elettronici presenti nelle centrali telefoniche, nelle sale macchine degli ascensori e in tutte le strutture industriali.

La logica transistor-transistor (TTL) è generalmente alimentata a +5 V. Se si superano i 5.25 V, il dispositivo può essere soggetto a danni. Quando una porta TTL NOR o un altro dispositivo è a un potenziale compreso tra 0 e +0.8 V, la porta risponderà a un ingresso logico alto. Se si tratta di una porta NOR invertente, l'uscita sarà logicamente bassa. Quando si applicano da +2 a +5 V ai terminali di ingresso, il gate risponde al suo precedente stato logico basso. Logica alta è la risposta se, di nuovo, il dispositivo è una porta NOR invertente.

La tecnologia dei semiconduttori ad ossido di metallo complementare (CMOS) è attualmente ampiamente utilizzata. A differenza di TTL, la tensione di alimentazione può essere compresa tra +3 e +15. I livelli alto e basso sono rappresentati in modo diverso da come sono in TTL. Sono impostati su una frazione della tensione di alimentazione. Se la tensione di alimentazione è compresa tra 3 e 10 V, il livello logico alto è maggiore di 7/10 della tensione di alimentazione con una tolleranza di 0.5 V. Il livello logico basso è una tensione inferiore a 3/10 della tensione di alimentazione, con la stessa tolleranza. Se invece la tensione di alimentazione è compresa tra 10 e 18 V, i livelli logico alto e logico basso sono le stesse frazioni della tensione di alimentazione. Tuttavia, le tolleranze in entrambi i casi salgono a 1 V.

Queste metriche possono sembrare laboriose, ma il fatto è che nella risoluzione dei problemi dei circuiti digitali, le tolleranze sono molto importanti. Se il funzionamento è difettoso, verificare se queste tensioni rientrano nelle specifiche di cui sopra. La memoria digitale è costituita da latch di base, che possono essere configurati da porte NOR interconnesse. Questi sono spesso indicati come "flip-flop", ma questo è un termine improprio, poiché un latch è un dispositivo asincrono, mentre un flip-flop è sincronizzato e funziona al passo con gli impulsi di clock. Il fermo, al contrario, è un dispositivo asincrono.

I dispositivi digitali sincroni richiedono circuiti di clock, che possono guastarsi. Il segnale di clock è tipicamente un'onda quadra che alterna livelli alti e bassi con un ciclo di lavoro del 50%. I circuiti integrati (CI) che sono affatto complessi si basano su un segnale di clock che sincronizza l'operazione complessiva. A volte è necessario più di un segnale di clock. I segnali di clock sono generalmente monofase, il che significa che si propagano su un filo, ma sono stati utilizzati segnali di clock multifase. La frequenza può variare e questo non è necessariamente dannoso. Un moltiplicatore di clock aumenta la velocità operativa a vantaggio di un microprocessore in modo che possa funzionare a una velocità maggiore rispetto a quella di altri circuiti. I computer più recenti vantano velocità di clock sempre più elevate, il che migliora le prestazioni.

Strumenti per la risoluzione dei problemi

Per eseguire la risoluzione dei problemi digitali, gli strumenti del mestiere sono un buon multimetro ad alta impedenza, un oscilloscopio, una sonda logica, un pulsatore logico e un rilevatore di corrente digitale. Questi saranno discussi nelle sezioni seguenti.

Tester

Il multimetro è il più basilare degli strumenti diagnostici del tecnico elettronico. Nella modalità ohm, il multimetro può rilevare i ponti di saldatura tra le tracce adiacenti del circuito. Giunti di saldatura a freddo, connettori a nastro difettosi e così via vengono rapidamente rivelati. È anche utile per controllare i diodi e i condensatori elettrolitici presenti nell'alimentatore. Nella modalità volt, un buon multimetro è eccellente per controllare rapidamente l'aspetto analogico di un azionamento a frequenza variabile (VFD). L'alimentazione trifase può essere verificata per tensioni uguali tra le gambe e tra ciascuna fase e terra. Le stesse misure possono essere prese ai terminali del motore. Il bus CC deve fornire letture entro le specifiche. Nella modalità Volt CA, è possibile rilevare un'ondulazione dannosa. Spento e con le tensioni immagazzinate eliminate, i diodi difettosi e i condensatori elettrolitici possono essere isolati, e uno di questi è probabilmente il miscredente. Quando si tratta di lavoro digitale, il multimetro in modalità volt CC può essere utilizzato per determinare se le tensioni di alimentazione, logica bassa e logica alta sono ragionevoli.

È importante sottolineare che qualsiasi misurazione della tensione deve essere effettuata con uno strumento ad alta impedenza, in modo da evitare di caricare il dispositivo o il circuito in prova. Se si verifica tale caricamento, il dispositivo (o i dispositivi) può essere danneggiato o, come minimo, la misurazione non sarà valida. Un misuratore economico da 10 $ USA da un grande magazzino può essere soddisfacente per lavori di cablaggio domestico, ma per lavori di diagnostica digitale, è necessario un multimetro di fascia alta con funzionalità avanzate. Aspettatevi di pagare circa 500 $ USA.

Oscilloscopi

L'oscilloscopio a segnali misti (MSO) è uno strumento eccellente che semplifica il lavoro di molti problemi di risoluzione dei problemi digitali precedentemente difficili. Il concetto operativo è che, molto spesso, una forma d'onda digitale difettosa come un runt (impulso di ampiezza insufficiente) viene innescata da un'anomalia nella sezione analogica. L'MSO è in grado di mostrare forme d'onda analogiche e digitali contemporaneamente e temporalmente correlate (con lo stesso asse X), il che è anche un lavoro facile con lo strumento giusto.

Sonda logica

La sonda logica è ottima per muoversi rapidamente tra ingressi e uscite per scoprire se lo stato logico è alto, basso o assente. È costituito da un corpo compatto con un punto conduttivo a un'estremità. Ci sono due cavi, uno rosso e uno nero. I morsetti a coccodrillo consentono al cavo nero di collegarsi alla massa del circuito o al lato negativo dell'alimentatore. Il cavo rosso deve essere collegato alla guida positiva dell'alimentatore oa qualsiasi terminale equivalente convenientemente posizionato.

Un interruttore a scorrimento sul corpo consente di impostare la sonda logica per il lavoro TTL o CMOS, come desiderato. Consultare le indicazioni del produttore (disponibili online) per interpretare gli indicatori LED e/o acustici. Poiché si tratta di un dispositivo ad alta impedenza, la sonda può essere toccata a quasi tutti i pin o nodi di circuito senza temere di danneggiare lo strumento o il circuito in prova. Poiché la sonda logica è alimentata dalla scheda tramite i cavi rosso e nero, non è necessaria alcuna batteria.

Pulsatore logico

Una situazione comune è che il circuito in prova sia collegato a uno stadio a monte funzionante. In tal caso, è semplice toccare la sonda logica sui vari pin di ingresso e uscita e sui punti di test del circuito esterno per vedere se in quella posizione è presente una logica alta o una logica bassa. Tuttavia, a volte, quando non viene osservata alcuna logica alta o bassa, lo strumento di risoluzione dei problemi vorrà iniettare un impulso noto buono in un ingresso IC o in un terminale del circuito. Questo viene fatto per mezzo di un pulsatore logico.

Il pulsatore logico assomiglia alla sonda logica. Ha un corpo dello strumento con una punta della sonda conduttiva appuntita e cavi rossi e neri con clip a coccodrillo. Come con la sonda logica, il cavo nero è collegato al telaio o alla massa del circuito e il cavo rosso è collegato alla guida positiva.

Tracciatore di corrente digitale

Per una corretta risoluzione dei problemi delle apparecchiature digitali, il tracciatore di corrente digitale, sebbene utilizzato meno frequentemente, è piuttosto prezioso in determinate situazioni. Superficialmente, assomiglia alla sonda logica digitale e al pulsatore digitale, ma i meccanismi interni sono totalmente diversi. Mentre la sonda logica e il pulsatore hanno elettrodi conduttivi a punta d'ago che vengono semplicemente toccati con le uscite digitali, il tracciatore di corrente digitale ha una testina di rilevamento magnetica. È sensibile al campo magnetico che circonda un conduttore o una traccia attraverso la quale scorre la corrente. Funziona indipendentemente dal fatto che il filo sia isolato o meno.

Per ottenere una buona lettura, è necessario tenere il tracciatore di corrente digitale verticalmente sopra il conduttore. Inoltre, la punta del tracciatore di corrente ha un punto che deve essere allineato con la direzione del flusso di corrente. Una spia situata sulla punta della sonda varia in luminosità in risposta alla quantità di corrente. È sensibile su un'ampia gamma, da 1 mA a 1 amp. C'è un controllo per regolare la sensibilità. Per individuare una sorgente o un dissipatore di corrente, è sufficiente spostare il rilevatore di corrente digitale lungo il percorso della corrente, osservando i cambiamenti nella luminosità della lampada.

Utilizzando il tracciatore di corrente digitale, il tecnico ha la capacità di rilevare un guasto all'interno di un microchip, ma dove lo strumento eccelle davvero è nell'isolare un ponte di saldatura quasi invisibile tra tracce adiacenti o un giunto di saldatura freddo che interrompe il flusso di elettroni. Difetti come questi, una volta individuati, possono essere corretti e ripristinati senza ricorrere a una massiccia sostituzione dei dispositivi a semiconduttore.

Tecniche di risoluzione dei problemi

Oltre a utilizzare gli strumenti di risoluzione dei problemi digitali descritti sopra, esistono alcune altre procedure efficaci per identificare circuiti e componenti guasti. I seguenti commenti sono applicabili a problemi sia digitali che analogici.

Spesso, un'apparecchiatura elettronica contiene sottosistemi paralleli, parzialmente o totalmente identici. Un esempio potrebbe essere una banca di ascensori o un singolo ascensore che serve più piani. I sensori e i controlli della porta sono generalmente sostanzialmente identici. In tali casi, le parti possono essere scambiate per vedere se il guasto si sposta.

Un altro esempio è nelle apparecchiature audio stereo. Componenti come altoparlanti o cavi dagli amplificatori finali agli altoparlanti possono essere commutati per vedere se il funzionamento è influenzato. In casi come questi, il sistema precedentemente guasto funzionerà normalmente e il sistema precedentemente funzionante smetterà di funzionare. Allo stesso modo, se sono presenti due elementi identici separati, potrebbe essere possibile cambiare i componenti come procedura diagnostica. La fattibilità di questa tecnica ha molto a che fare con la difficoltà fisica di apportare il cambiamento. A volte, è più prudente utilizzare tecniche più passive, come il monitoraggio del funzionamento con un multimetro, uno o più amperometri a pinza (a volte utilizzando la funzione "Hold", ad esempio, per conservare una registrazione dell'assorbimento di corrente in trifase gambe per un periodo di ore).

Si può imparare molto osservando i metodi dei tecnici riparatori TV, perché questo è un campo molto vasto e ben documentato. Un problema persistente che si presenta in tutti i tipi di apparecchiature, digitali e analogiche, è il funzionamento intermittente. Questo può essere difficile da diagnosticare in termini di isolamento del componente difettoso, perché il guasto tende a scomparire proprio quando si tenta la riparazione. Il problema, poiché può essere sensibile al calore o alle vibrazioni, tende ad andare e venire. A volte, c'è una crepa invisibile in un circuito stampato o in un componente come un resistore a filo avvolto che si apre e si chiude in risposta al cambiamento di temperatura. I tecnici TV spesso riscaldano o raffreddano i componenti uno alla volta per vedere se il guasto emerge o scompare. Questo può essere fatto usando un saldatore tenuto a una certa distanza sopra un microchip in modo da riscaldarlo quanto basta per far emergere il guasto ma non abbastanza da danneggiarlo se risulta non essere difettoso. In alternativa, è disponibile in commercio un "refrigeratore di componenti" in una bomboletta spray. Se lo spray è diretto sul sospetto colpevole, verrà improvvisamente raffreddato, il guasto scompare. (Questa tecnica è utile solo per la diagnosi e non è efficace come riparazione. Il refrigeratore per componenti viene utilizzato anche per preraffreddare semiconduttori con cavi corti in modo che non vengano danneggiati durante la saldatura.)

Un'altra tecnica diagnostica che può essere utilizzata con buoni risultati è quella di rimuovere i componenti discutibili che non sono essenziali per il corretto funzionamento del sistema nel suo insieme. Ad esempio, più telefoni possono essere collegati a jack disposti in topologia a stella. Succede che se uno dei telefoni ha un cortocircuito interno da linea a linea, trascinerà il sistema nel suo insieme. In particolare, non ci sarà il segnale di linea. I telefoni possono essere disconnessi uno alla volta per vedere se il funzionamento viene ripristinato. L'intera installazione può essere testata scollegando in successione un filo di ciascuna coppia a the source. Una tecnica simile può essere utilizzata per interruttori di circuito con guasto a terra in un circuito derivato di un locale o per singoli computer collegati a un hub, switch o router Ethernet tramite cablaggio di categoria 5e o altri supporti.

Un'ultima lezione che possiamo imparare dal tecnico dell'assistenza TV è come eseguire un'operazione di tracciamento del segnale. All'ingresso di un opportuno stadio viene iniettato un segnale a radiofrequenza, a frequenza intermedia o audio, video o composito derivato da un generatore di segnale. Quindi, le letture dell'oscilloscopio vengono eseguite alle uscite successive, osservando la distorsione o l'assenza del segnale. Gli schemi di servizio contengono tipicamente grafici in posizioni selezionate nei circuiti raffigurati, mostrando come dovrebbe apparire un display normale. Con queste informazioni in mano, il passo successivo è azzerare il componente difettoso.

Tecnologia Moderna

Gli azionamenti per motori a corrente alternata elettronici a stato solido, insieme ai motori a induzione trifase, hanno ampiamente sostituito i vecchi motori a corrente continua nelle sale macchine degli ascensori. I motori a corrente continua sono di costruzione semplice e possono essere facilmente invertiti, come richiesto per il funzionamento degli ascensori, semplicemente invertendo la polarità dell'alimentazione elettrica a due fili. Inoltre (e anche necessario per il funzionamento dell'ascensore), la velocità del motore può essere modificata facilmente e senza intoppi regolando la corrente attraverso gli avvolgimenti di campo. Tutto ciò avviene senza ricorrere a un costoso cambio, che potrebbe portare a lunghi tempi di fermo in caso di guasto.

L'anello debole di questa catena era il gruppo collettore-spazzola. A causa dell'inevitabile arco elettrico e dell'usura meccanica dovuta all'attrito con il collettore, le spazzole hanno sempre avuto una vita utile finita e, sebbene cambiarle non fosse un lavoro difficile, era comunque qualcosa che doveva essere fatto. Se ciò non accadesse sempre in tempo, il commutatore potrebbe danneggiarsi, richiedendo una riparazione molto più dispendiosa in termini di tempo.

La direzione poteva essere invertita, ma la velocità non poteva essere facilmente regolata nei primi motori a induzione trifase e per molti decenni i motori a corrente continua hanno guidato la maggior parte degli ascensori, anche se la corrente alternata doveva essere rettificata per alimentarli. Tutto questo è cambiato bruscamente negli anni '1960 con l'introduzione dell'azionamento a frequenza variabile (VFD). Chiamato anche "azionamento a velocità regolabile", la terminologia può riferirsi all'azionamento elettronico più il motore o all'azionamento da solo.

Il funzionamento di base è semplice e di solito avviene all'interno di un armadio ventilato o ventilato. L'alimentazione CA trifase in ingresso viene rettificata e filtrata utilizzando diodi standard e condensatori elettrolitici. La potenza ragionevolmente priva di ripple si sposta tramite un bus CC a tre conduttori a una sezione dell'inverter in cui viene sintetizzata un'alimentazione CA e successivamente alimentata attraverso conduttori di dimensioni appropriate al motore. La forma d'onda unica dell'uscita del VFD rende possibile la gamma di coppie e velocità del motore.

Se si tenta di regolare la velocità di un motore AC variando la tensione applicata allo statore, i giri del rotore possono essere leggermente ridotti, ma questo metodo non è soddisfacente, perché la velocità più lenta è accompagnata da un grande aumento di calore, poiché il motore è, in effetto, essendo sovraccaricato quando azionato al di sotto della tensione nominale. L'uscita del VFD, anziché un'onda sinusoidale di ampiezza variabile, è costituita da una serie di onde quadre. Le larghezze di impulso possono essere fatte variare, comprendendo diversi cicli di lavoro. Restringendo l'impulso, il motore può essere rallentato senza un dannoso aumento di calore e soggetto solo a un numero di giri ridotto di una ventola di raffreddamento che può essere collegata all'albero. Il raffreddamento compensatorio può essere ottenuto con altri mezzi, se necessario.

La sezione inverter del VFD è, di necessità, collegata al controller di movimento dell'ascensore con un'interfaccia umana, sensori di porta, interconnessione di allarme antincendio, ecc.

Domande sul rinforzo dell'apprendimento

Utilizzare le seguenti domande di rinforzo dell'apprendimento per studiare per l'esame di valutazione della formazione continua disponibile online su www.elevatorbooks.com oa pag. 129 di questo fascicolo.
♦ Quali sono le tensioni operative per la logica TTL e CMOS?
♦ È sempre dannoso se la frequenza di un segnale di clock varia? Perché o perché no?
♦ Quali sono le sezioni principali di un VFD?
♦ In che modo un oscilloscopio MSO rivela sezioni difettose di un VFD?
♦ Quali sono gli strumenti di risoluzione dei problemi digitali più utilizzati?