Самоучитель по радиоэлектронике

Первое включение только что собранного устройства — это всегда волнующий момент, итог длительных трудов по разработке и изготовлению, которому, возможно, предшествовали долгие недели размышлений над принципиальной схемой. Но иногда вместо удовлетворения от безошибочной работы приходит разочарование, вызванное непредвиденными обстоятельствами, или, хуже того, полный провал. Тогда для устранения неисправностей понадобится несколько необходимых приборов — от обыкновенного мультиметра до многоканального логического анализатора.

На стадии наладки неработающего устройства важной составляющей успеха является умение мыслить логически, способность к анализу и синтезу. Наличие микропроцессора не всегда поможет, поскольку иногда очень трудно определить, что является источником неисправности — технический дефект схемы или ошибка в программном обеспечении.

4.1. Подготовка к измерениям

4.1.1. Оснастка при измерениях

Часто при проведении электрических измерений в небольшой лаборатории количество шнуров, соединяющих приборы, оказывается слишком велико для эффективной работы. Для соединения измерительных приборов между собой можно использовать шнуры со стандартными наконечниками.

Слишком длинные шнуры превращают рабочий стол в джунгли. Предпочтительнее работать с несколькими короткими шнурами разных цветов, снабженных наконечниками типа Banana. На таких наконечниках есть гнезда, что позволяет вставлять их один в другой, увеличивая длину шнура (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Наконечник типа Banana

При отсутствии защитной изоляции следует надеть на неиспользуемые металлические части отрезки изолирующей трубки, чтобы избежать короткого замыкания. Знаменитые зажимы типа «крокодил» сейчас практически не используются для подключения схемы к источнику питания. Им на смену пришли зажимы, припаянные или закрепленные винтом на конце шнура, другой конец которого снабжен наконечником типа Banana. Напряжение сети подводится к схеме при помощи сетевого шнура, оснащенного вилкой; применение двух отдельных шнуров недопустимо. Закрепление сетевого шнура на макете осуществляется пайкой или с помощью винтовых зажимов.

Во время тестирования под схему, еще не помещенную в корпус, подкладывается картон или другой изолирующий материал. Чтобы тестируемая плата не упала при натягивании сетевого шнура, его следует закрепить (например, с помощью неметаллических зажимов).

4.1.2. Искусственная нагрузка

Тестирование источника питания или аналогичной схемы проходит через стадию поиска и выбора нагрузки, позволяющей моделировать реальные условия работы устройства. Для небольших мощностей в качестве пробной нагрузки вполне можно использовать резистор. Иная ситуация возникает, например, с источником постоянного напряжения, способным обеспечить ток порядка 5 А при выходном напряжении около 30 В. Параллельное и последовательное включение нескольких резисторов представляется трудной задачей, особенно для рассеивания мощности 150 Вт.

Значительно удобнее использовать автомобильные лампы. Существует богатый выбор таких ламп мощностью от 5 Вт (для габаритных огней) до 40 Вт и более (лампы для фар). Самым распространенным напряжением является 12 В. Последовательное соединение двух ламп позволяет удвоить это напряжение. Упомянутый выше источник питания можно протестировать, если подключить к нему четыре лампы 12 В/40 Вт с последовательно-параллельным соединением 2x2 (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Искусственная нагрузка

Для более высоких напряжений подойдут лампы, работающие от сети, а также специальные резисторы, применяемые для нагрева (в конвекторах и др.). При особенно высокой мощности источника питания в качестве нагрузки можно использовать электролитическую ванну. Для этого в подсоленную воду опускают две не соприкасающиеся между собой металлические полоски достаточного сечения. Подобную операцию настоятельно рекомендуется проводить в хорошо проветриваемом помещении или на улице. В любом случае мощность будет рассеиваться главным образом в форме тепла. Поэтому необходимо принять элементарные меры противопожарной безопасности, а также защитить глаза от интенсивного светового излучения лампы даже при небольших ее размерах.

4.1.3. Использование трансформатора тока

Не всегда получается просто измерить переменный ток, особенно если схема связана с сетью. Существует оригинальное решение этой проблемы с помощью трансформатора тока. Известно, что проводник с током создает магнитное поле, напряженность которого пропорциональна этому току. Если расположить датчик, в данном случае катушку, в непосредственной близости от проводника, можно уловить, а затем обработать наведенный в катушке сигнал.

На практике удобно использовать тороидальный сердечник (такие компоненты применяются в антипомеховых дросселях), намотав на него большое число витков эмалированного провода малого сечения. Количество витков должно быть тем больше, чем меньше измеряемый ток. Проводник с измеряемым током пропускают сквозь тороидальный сердечник. Таким образом формируется первичная обмотка трансформатора (рис. 4.3). Ток во вторичной обмотке может быть небольшим, если предусмотрена его обработка с помощью операционного усилителя, включенного по схеме преобразователя тока в напряжение.

Рис. 4.3. Включение трансформатора тока

Например, ток силой 0,5 А в первичной обмотке создаст ток 5 мА во вторичной обмотке при 100 витках провода и напряжении 0,5 В на выходе усилителя. Это значение соответствует номиналу резистора, указанному на рис. 4.3. Форма сигнала сохраняется, поэтому, чтобы получить постоянное напряжение, потребуется выполнить операции выпрямления и фильтрации. Большое преимущество схемы такого типа — полная изоляция измеряемого проводника от цепи обработки сигнала. Именно этот принцип используется в электроизмерительных клещах. В некоторых случаях можно подключить амперметр непосредственно к вторичной обмотке трансформатора.

4.1.4. Измерение переменного тока или напряжения

Измерение и обработка переменной величины обычно выполняются с помощью преобразователя переменного сигнала в постоянный. Обыкновенный диод в сочетании с конденсатором выполняет операции выпрямления и фильтрации сигнала. Но в действительности речь идет об измерении максимальной (пиковой) величины сигнала. При этом не учитываются ни форма сигнала, ни его частота. Следовательно, данный принцип может успешно применяться исключительно для тех сигналов, у которых изменяется только амплитуда, но не форма. В других случаях лучше использовать специализированные схемы или аналого-цифровое преобразование с последующей математической обработкой.

Классический мультиметр, которым измеряют переменные сигналы, рассчитан на индикацию эффективных значений и обеспечивает правильные показания только для синусоидальных сигналов. Показания для сигналов другой формы содержат ошибки тем более значительные, чем сильнее форма измеряемого сигнала отличается от синусоиды. Таким образом, на выходе преобразователя 12/220 В, построенного на трансформаторе с двумя коммутируемыми транзисторами, будет индицироваться напряжение, существенно превышающее его истинное значение. Для корректного измерения следует использовать осциллограф, который одновременно показывает и амплитуду, и форму сигнала.

4.1.5. Форма измеряемого сигнала

На рис. 4.4 представлены формулы для определения действующих (эффективных) значений сигналов различной формы. Эти формулы действительны как для токов, так и для напряжений. В них используются пиковые (максимальные) значения сигналов и коэффициент заполнения (величина, обратная скважности).

Рис. 4.4. Формулы для определения действующих значений напряжения гармонических сигналов

4.2. Работа с мультиметром

В своей деятельности радиолюбителю придется использовать множество контрольных приборов различного типа для тестирования, измерения и обнаружения неисправностей в электронном оборудовании.

Мультиметр является универсальным прибором, который используется практически каждый день. Имеется два основных типа мультиметров для общего использования: аналоговые и цифровые.

4.2.1. Аналоговые мультиметры

В аналоговом мультиметре (тестер или стрелочный авометр — ампервольтомметр) применяется стандартная измерительная шкала с указателем. Значение напряжения, тока или сопротивления отсчитываются от позиции указателя на измерительной шкале. Определение показаний аналогового мультиметра очень похоже на определение времени по стрелкам на часах. В случае часов приходится интерполировать число секунд между маркировками минут. Точно так же при работе с аналоговым мультиметром нужно определять или оценивать фактическое значение путем интерполирования между маркировками напряжений, токов или сопротивлений на измерительной шкале.

Аналоговые мультиметры все еще широко используются, поскольку они недороги и надежны в работе. Их основным недостатком является то, что они имеют невысокую точность и большой разброс при измерениях. В большинстве случаев погрешность аналогового мультиметра составляет менее 2 % от пределов измерения по шкале прибора, что вполне приемлемо в большинстве практических применений. Тем не менее во многих случаях желательны более точные измерения.

4.2.2. Цифровые мультиметры

Цифровой мультиметр подобен аналоговому в том отношении, что он также является универсальным измерительным прибором, способным измерять напряжение, ток и сопротивление. Основным отличием является то, что результаты измерений выводятся на индикаторную панель десятичной цифровой индикации. В большинстве цифровых ров имеется жидкокристаллический индикатор (дисплей). Значение тока, напряжения или сопротивления выводится в виде десятичных цифр на семисегментные индикаторы. Индикация в более старых цифровых мультиметрах осуществляется с использованием индикаторов на светоизлучающих диодах.

В дополнение к удобствам, связанным с использованием десятичных дисплеев, цифровые мультиметры обеспечивают также более высокую точность измерений. Хороший цифровой мультиметр обеспечивает точность измерений 0,5–1 % от фактического значения. Такие точные измерения предпочтительны при тестировании электронных схем, поскольку они дают наилучшую информацию о состояниях схем. Цифровые мультиметры имеют также более высокую разрешающую способность измерительной системы, что обеспечивает более высокоточные измерения.

Большинство мультиметров позволяют также измерять основные параметры транзисторов: коэффициент передачи тока базы h_21Э, обратный ток коллектора I_КО и обратный ток эмиттера I_ЭО.

При использовании мультиметра для измерения напряжений синусоидальных сигналов необходимо иметь в виду, что представляемая на индикации величина является эффективным или среднеквадратическим значением. Необходимо знать также, что мультиметр имеет ограничение по высокой частоте. Это предельное значение частоты варьируется от прибора к прибору, однако оно не превышает обычно нескольких килогерц.

4.2.3. Опасность появления ошибочных показаний

На всех цифровых мультиметрах стоят индикаторы, предупреждающие пользователя о том, что батарейка скоро разрядится. У многих дешевых приборов индикатор включается слишком поздно, когда в показаниях уже появились ошибки. Если результаты измерений вызывают подозрения, следует проверить состояние батарейки. При этом не стоит использовать мультиметр для проверки его собственной батарейки из-за опасности внутреннего короткого замыкания.

4.2.4. Измерения на разомкнутой цепи

При высоком входном сопротивлении цифрового мультиметра (приблизительно 10 МОм) в режиме измерения переменных сигналов на индикаторе нередко появляется напряжение (иногда до 220 В), хотя измерительные щупы не присоединены. На самом деле так проявляется антенный эффект, обусловленный, как правило, работой расположенного поблизости мощного прибора. Если цель измерения — убедиться в отсутствии напряжения перед проведением работ на схеме, это будет существенной помехой. В подобных случаях надо использовать либо гальванометрический (неэлектронный) вольтметр, либо индикатор напряжения.

4.2.5. Режим короткого замыкания

На стадии наладки схемы иногда требуется выполнить временное замыкание двух точек, чтобы проверить работу управляющей схемы реле или светодиода в режиме короткого замыкания, прежде чем монтировать схему в корпус. Включение мультиметра, выполняющего функцию амперметра и рассчитанного на соответствующий ток, вполне заменяет рискованную процедуру замыкания проводов. Измерительные щупы обеспечат электрический контакт, в то время как предохранитель, включенный последовательно с амперметром, гарантирует безопасность этого временного соединения.

После подобных манипуляций, как и всегда после использования мультиметра в качестве амперметра, измерительные провода сразу необходимо переместить в гнезда вольтметра. Это дает гарантию того, что при следующем использовании мультиметра в схеме или, что еще хуже, в сети не произойдет случайное короткое замыкание.

4.2.6. Мегаомметр

Мегаомметр используется для измерения сопротивления изоляции проводов или кабелей с целью определения их пригодности к использованию. Следует отметить некоторые особенности при работе с мегаомметром. В нем вырабатывается высокое напряжение, и если в установке, где производится измерение, есть элементы, которые могут быть повреждены этим напряжением, например, конденсаторы и полупроводниковые приборы, то они должны быть отсоединены или их выводы закорочены.

Не допускается пользование загрязненным и покрытым влагой прибором, так как это может исказить показания.

Перед измерением прибор должен быть проверен соединением концов его проводов при вращении рукоятки, при этом стрелка прибора должна показать «нуль», а при рассоединении проводов — «бесконечность». Чтобы прибор вырабатывал нужное напряжение, его рукоятку нужно вращать с частотой не меньшей, чем указана на щитке со шкалой.

4.2.7. Измерение емкости и индуктивности

В практических схемах измерителей напряжение треугольной формы прикладывается к измеряемой емкости, при этом ток, идущий через нее, имеет форму меандра и его амплитуда пропорциональна измеряемой емкости. При измерении индуктивности через нее пропускается ток треугольной формы, падение напряжения на индуктивности имеет форму меандра и пропорционально ее величине. Измеряемая емкость и эталонный резистор подключаются в соответствии с рис. 4.5а, а измеряемая индуктивность — по схеме рис. 4.56.

Рис. 4.5. Принцип измерения емкости (а) и индуктивности (б)

4.3. Использование осциллографа

Осциллограф становится относительно простым в использовании прибором после первого знакомства с ним. Затруднение может вызывать лишь изучение и запоминание функции каждого из различных органов управления на передней панели, где имеется множество ручек, лимбов, переключателей, кнопок и соединителей. Для непосвященных это кажется очень трудным. Изучите назначение каждого органа управления и проследите за картинкой на экране при использовании этих ручек. В результате вы быстро все поймете. Одним из лучших способов изучения функций и методов использования осциллографа является получение по возможности большего опыта во время практической работы.

4.3.1. Кабели для осциллографа

Желательно использовать осциллограф двухканального типа, так как он позволяет наблюдать одновременно два отдельных сигнала. Следовательно, он имеет два входных кабеля и соединителя. Они обычно маркируются как канал 1 и 2 или А и В. Различают два основных типа кабелей — прямой и аттенюаторный.

Кабель прямого типа является коаксиальным кабелем с двумя выводами, которые обычно имеют концевую заделку в виде щупов-наконечников или посредством зажимов типа «крокодил» для подключения к схеме. В любом случае данный кабель подводит сигнал, который должен воспроизводиться на экране, напрямую (без ослабления) к осциллографу.

С аттенюаторным типом соединителя также используется коаксиальный кабель, но в общем случае применяется щуп вместо зажимов типа «крокодил». Узел щупа содержит последовательный резистор с большим сопротивлением, которое вместе с полным входным сопротивлением осциллографа формирует делитель напряжения. Таким образом, данный щуп и кабель выполняют ослабление (аттенюацию) сигнала в 10 раз.

Преимуществом такого кабеля является то, что он создает меньшую емкостную нагрузку для схем высокой частоты, позволяя визуализировать высокочастотные сигналы и сложные формы сигнала. Чтобы получить корректное измерение амплитуды сигнала, не забудьте измеренное значение умножить на 10.

4.3.2. Измерение амплитуды

Для амплитудных измерений используется откалиброванная или координатная сетка на экране электронно-лучевой трубки для определения числа делений между максимальными положительным и отрицательным отклонениями сигнала {такое измерение называется измерением размаха, или двойной амплитуды, сигнала).

Осциллограф визуализирует на экране синусоидальный сигнал. Это наиболее легкий и более точный метод для измерения размаха сигнала. Осциллограф позволяет видеть сигнал, а также любой шум, искажение или помехи, которые могут его сопровождать. Он может выполнять измерения напряжений сигналов с частотой до нескольких сот мегагерц.

В отличие от мультиметра осциллограф не позволяет измерить ток. Единственным способом измерить ток при помощи осциллографа является косвенный способ, а именно, надо измерить напряжение на участке цепи, преобразовать размах в эффективное значение, а затем разделить его на известное сопротивление участка цепи.

При выполнении тестов и измерений в электронике обычно является необходимым преобразование эффективных значении в значения размаха и наоборот. Эффективные (среднеквадратические, действующие) значения напряжения и тока связаны со значениями размаха (двойного амплитудного) следующими соотношениями:

U_PP = 2,828·U_RMS

I_PP = 2,828·I_RMS

U_RMS = 0,3535·U_PP

I_RMS = 0,3535·I_PP

где индексы: РР — размах, RMS — эффективное значение.

4.3.3. Измерение частоты

Для измерений частоты F на осциллографе сначала нужно измерить период Т сигнала. Период — это время одного цикла. Самый простой способ сделать это — подсчитать количество горизонтальных делений между двумя последовательными пиками сигнала. Тогда частота F = 1/T.

4.3.4. Проблема заземления

Сетевой шнур осциллографа снабжен заземляющим проводом, который соединен с шасси прибора внутри корпуса. Общая точка входов и выходов (зондов, синхросигналов) также связана с шасси. В домашних электроустановках корпус соединяется с заземляющим нейтральным проводом сети.

Такой тип подключения, разработанный для безопасности пользователя, вызывает серьезную проблему при проведении измерений в схемах, прямо или косвенно связанных с сетью. К ним относятся, например, схемы на симисторах или схемы, питающиеся от устройств с конденсаторами (без трансформатора). В этих случаях существует риск короткого замыкания, которое обычно не представляет опасности, поскольку срабатывает предусмотренная защита. Однако это плохо влияет на работу осциллографа. В таком случае следует убрать соединение с нейтралью, например, подключив переходник с трехконтактной вилки на двухконтактную или модифицировав многоконтактную вилку. Не нужно отсоединять заземляющий провод от корпуса осциллографа! Необходимо подчеркнуть, что такое подключение носит временный характер и должно быть изменено после проведения работ.

4.3.5. След луча

Срок службы электронно-лучевой трубки осциллографа существенно сокращается, если след луча без необходимости будет иметь вид точки, расположенной в одном и том же месте (возможно выгорание люминофора в этом месте). Поэтому после каждого измерения с такой необычной настройкой нужно возвращать временную развертку в состояние, при котором след луча имеет вид прямой линии.

4.3.6. Влияние зонда на работу схем

Сопротивление измерительных входов осциллографа ниже, чем аналогичное сопротивление цифрового мультиметра; оно составляет около 1 МОм против 10 МОм для мультиметра. К этому сопротивлению обычно добавляется конденсатор емкостью порядка 20 пФ. Такие величины могут явиться причиной ошибок измерения и даже нарушения нормального функционирования схемы. Например, программа микроконтроллера может давать сбои при зондировании его тактовых схем (кварцевого генератора) или схемы обнуления.

Другим типичным примером является RC-цепь, особенно когда номиналы резисторов повышены. При подключении зонда может возникнуть впечатление, что конденсатор разряжен, хотя на самом деле он постоянно заряжен из-за ошибки в схеме. Иногда таймер работает только при наличии зонда осциллографа из-за вызываемого им изменения параметров. Из всего сказанного можно сделать вывод, что при любом отклонении в работе устройства, которое зондируется при помощи осциллографа, следует изучить его с помощью принципиальной схемы, чтобы выявить возможные причины сбоя.

4.4. Тестирование компонентов электрических схем

4.4.1. Проверка резисторов

При определении состояния работающих резисторов или новых для замены вышедших из строя необходима их проверка. Постоянные резисторы проверяют внешним осмотром на отсутствие механических повреждений, целость корпуса, его покрытия, прочность выводов. По маркировке и размерам определяют номинальную величину сопротивления, допустимую мощность рассеяния и класс точности, а также соответствие параметров, указанных на корпусе, принципиальной электрической схеме. Омметром измеряют действительную величину сопротивления и определяют отклонение от номинала. Целость выводов проверяют измерением сопротивления резистора при их покачивании.

Переменные резисторы после внешнего осмотра проверяют на плавность изменения сопротивления путем его измерения при вращении оси, на соответствие закона изменения сопротивления резистора (линейное, логарифмическое, обратнологарифмическое) его типу, а также обращают внимание на сопротивление резистора при крайних положениях оси. Если при измерении сопротивления потенциометра при вращении его оси наблюдаются скачки сопротивления, это говорит о его неисправности и о необходимости замены. В работающем устройстве, например усилителе, это может проявляться в скачкообразном изменении громкости звука при его регулировке.

Резистор исправен, если нет механических повреждений, величина его сопротивления находится в допустимых пределах данного класса точности, а контакт ползунка с водящим слоем постоянен и надежен.

4.4.2. Проверка конденсаторов

Простейший способ проверки исправности конденсатора — внешний осмотр, при котором обнаруживаются механические повреждения. Если при внешнем осмотре дефекты не замечены, проводят электрическую проверку. Она включает проверку на короткое замыкание, пробой, целость выводов, а также проверку тока утечки (сопротивление изоляции) и измерение емкости.

Емкость конденсаторов измеряют при помощи измерителя RLC. При отсутствии прибора емкость можно проверить другими способами.

Конденсаторы большой емкости (1 мкФ и выше) на короткое замыкание проверяют омметром на максимальных пределах измерения, измеряя сопротивление между выводами и между выводами и корпусом, если корпус металлический. При этом от конденсатора отпаивают детали, если он в схеме и разряжают его. Прибор подготавливают для измерения больших сопротивлений, общий провод должен быть соединен с положительным выводом конденсатора, а измерительный — с корпусом.

Если емкость конденсатора больше 1 мкФ и он исправен, то после присоединения омметра конденсатор заряжается, и стрелка прибора быстро отклоняется в сторону нуля (причем отклонение зависит от емкости конденсатора, типа прибора и напряжения источника питания), потом стрелка медленно возвращается в положение «бесконечность». При наличии утечки омметр показывает малое сопротивление — сотни и тысячи ом, — величина которого зависит от емкости и типа конденсатора. При пробое конденсатора его сопротивление будет около нуля. При проверке исправных конденсаторов емкостью меньше 1 мкФ стрелка прибора не отклоняется, потому что ток и время заряда конденсатора незначительны.

При проверке омметром нельзя установить пробой конденсатора, если он происходит при рабочем напряжении. В таком случае можно проверить конденсатор мегаомметром при напряжении прибора, не превышающем рабочее напряжение конденсатора.

Конденсаторы средней емкости (от 500 пФ до 1 мкФ) проверяют с помощью последовательно подключенных к выводам конденсатора наушников и источника тока. Если конденсатор исправен, в момент замыкания цепи в головных телефонах слышен щелчок.

Конденсаторы малой емкости (до 500 пФ) проверяют в цепи тока высокой частоты. Конденсатор включают между антенной и приемником. Если громкость не уменьшится, значит, обрывов выводов нет.

Сопротивление изоляции конденсатора между выводами и каждым выводом и корпусом проверяют ламповым мегаомметром. При этом сопротивление изоляции бумажных конденсаторов должно составлять сотни и тысячи мегом, остальных — десятки и сотни мегом.

Прочность крепления выводов проверяется их покачиванием. Тем же проверкам подвергаются и новые конденсаторы, предназначенные для замены. При этом проверяется соответствие их параметров, указанных на корпусе, электрической схеме.

У конденсаторов переменной емкости проверяют плавность вращения ротора, отсутствие заеданий и люфтов. Конденсаторы переменной емкости проверяют на пробой при плавном повороте ротора. Проверить конденсатор на пробой можно и на специальной испытательной установке, прикладывая между выводами и каждым выводом и корпусом повышенное напряжение, превышающее номинальное в 1,5–3 раза в течение 10–60 с в зависимости от типа конденсатора.

4.4.3. Проверка катушки индуктивности

Проверка исправности катушек индуктивности начинается с внешнего осмотра, в ходе которого необходимо убедиться в исправности каркаса, экрана, выводов; в правильности и надежности соединений всех деталей катушки; в отсутствии видимых обрывов проводов, замыканий, повреждения изоляции и покрытий. Особое внимание следует обращать на места обугливания изоляции, каркаса, почернение или оплавление заливки.

Электрическая проверка катушек индуктивности включает проверку на обрыв, поиск короткозамкнутых витков и определение износа изоляции обмотки. Проверка на обрыв выполняется омметром. Увеличение сопротивления означает обрыв или плохой контакт одной или нескольких жил литцендрата. Уменьшение сопротивления свидетельствует о межвитковом замыкании. При коротком замыкании выводов сопротивление равно нулю. Для более точного представления о неисправности элемента необходимо измерить индуктивность. В заключение рекомендуется, проверить работоспособность катушки в исправном аппарате, подобном тому, для которого она предназначена.

4.4.4. Проверка трансформаторов и дросселей

По конструкции и технологии изготовления силовые трансформаторы, трансформаторы и дроссели НЧ весьма похожи. Все они состоят из обмоток, выполненных изолированным проводом, и сердечника. Проверку начинают с внешнего осмотра, в ходе которого находят и устраняют все видимые механические дефекты.

Проверка на короткое замыкание между обмотками, между обмотками и корпусом производится с помощью омметра (рис. 4.6а,б). Прибор включают между выводами разных обмоток, а также между одним из выводов и корпусом. Так же проверяется и сопротивление изоляции, которое должно быть не менее 100 МОм для герметизированных трансформаторов и не менее десятков мегаом для негерметизированных.

Рис. 4.6. Схемы проверки трансформатора на замыкание между обмоткой и сердечником (а), между обмотками (б), проверка коэффициента трансформации на холостом ходу (в)

Самая сложная проверка на межвитковые замыкания. Существует несколько способов проверки трансформаторов:

1. Измерение омического сопротивления обмотки и сравнение результатов с паспортными данными. (Способ простой, но не слишком точный, особенно при малой величине омического сопротивления обмоток и небольшом количестве короткозамкнутых витков.)

2. Проверка коэффициентов трансформации на холостом ходу (рис. 4.6в). Коэффициент трансформации определяется как отношение напряжений, показываемых вольтметрами 2 и 1. При наличии межвитковых замыканий (изображено пунктиром) коэффициент трансформации будет меньше нормы.

3. Измерение индуктивности обмотки.

4. Измерение потребляемой мощности на холостом ходу. У силовых трансформаторов одним из признаков короткозамкнутых витков является чрезмерный нагрев обмотки.

Наиболее точные результаты получают, используя приборные способы проверки:

5. Проверка катушки с помощью специального прибора — анализатора короткозамкнутых витков.

6. Проверка трансформатора по форме выходной синусоиды, так называемая «частотная прогонка». Так проверяются трансформаторы питания НЧ (40–60 Гц), трансформаторы питания импульсных блоков питания (8-40 кГц), разделительные трансформаторы типа ТДКС (13–17 кГц), разделительные трансформаторы мониторов (CGA 13–17 кГц, EGA 13–25 кГц, VGA 25–50 кГц).

Для этого, например, разделительный трансформатор строчной развертки необходимо подключить согласно рис. 4.7 и подать на обмотку I синусоидальное напряжение 5-10 В частотой 10-100 кГц через конденсатор С емкостью 0,1–1,0 мкФ. На обмотке II, используя осциллограф, можно наблюдать форму выходного напряжения.

«Прогнав» на частотах от 10 до 100 кГц генератор НЧ, нужно, чтобы на каком-то участке получилась чистая синусоида (рис. 4.8а) без выбросов и «горбов» (рис. 4.8б).

Наличие эпюр во всем диапазоне (рис. 4.8в) говорит о межвитковых замыканиях в обмотках. Данная методика с определенной степенью вероятности позволяет отбраковывать трансформаторы питания, различные разделительные трансформаторы, частично строчные трансформаторы. Важно лишь подобрать частотный диапазон.

Рис. 4.7. Схема проверки трансформатора по форме выходной синусоиды

Рис. 4.8. Формы наблюдаемых сигналов

7. Проверка трансформатора, используя явление резонанса. Для проверки нужно собрать схему для параллельного (рис. 4.9а) или последовательного (рис. 4.9б) резонанса. Изменяя частоту генератора, нужно добиться резкого увеличения (в 2 раза и выше) амплитуды колебаний на контрольном устройстве (экран осциллографа или шкала вольтметра переменного тока). Это указывает, что частота внешнего генератора соответствует частоте внутренних колебаний LC-контура. Отсутствие или срыв колебаний (достаточно резкий) при изменении частоты генератора НЧ указывает на резонанс.

Рис. 4.9. Схема проверки трансформатора при использовании параллельного (а) и последовательного (б) резонанса

Для проверки закоротите обмотку II трансформатора. Колебания в LC-контуре исчезнут. Из этого следует, что короткозамкнутые витки срывают резонансные явления, чего мы и добивались. Наличие кнутых витков в катушке также приведет к невозможности наблюдать резонансные явления в LC-контуре.

Отметим, что для проверки импульсных трансформаторов блоков питания конденсатор С должен иметь емкость 0,01-1 мкФ. Частота генерации подбирается опытным путем.

4.4.5. Проверка полупроводниковых диодов

Простейшая проверка исправности полупроводниковых диодов заключается в измерении их прямого (R_пр) и обратного (R_обр) сопротивлений постоянному току. Чем меньше прямое сопротивление и больше обратное сопротивление, или, другими словами, чем выше отношение R_обр/R_пр, тем выше качество диода. Для измерения диод подключают к тестеру (омметру), как показано на рис. 4.10. При этом выходное напряжение измерительного прибора не должно превышать максимально допустимого для данного элемента.

Рис. 4.10. Схема проверки исправности диода: измерение прямого (а) и обратного (б) сопротивлений

Прямое сопротивление должно быть не больше 200 Ом, а обратное не меньше 500 кОм. Следует иметь в виду, что если прямое сопротивление — около нуля, а обратное стремится к бесконечности, то в первом случае имеется пробой, а во втором — обрыв выводов или нарушение структуры. Сопротивление диода переменному току меньше прямого сопротивления и зависит от положения рабочей точки.

Исправность высокочастотных диодов можно проверить включением их в схему работающего простейшего детекторного радиоприемника, как показано на рис. 4.11. Нормальная работа радиоприемника говорит об исправности диода, а отсутствие приема — о пробое.

Рис. 4.11. Схема проверки исправности ВЧ диода

Для применения в цифровых устройствах лучше всего использовать специальные импульсные диоды, имеющие малую длительность переходных процессов включения и выключения.

4.4.6. Проверка диодных мостов

Диодный мост иногда нелегко протестировать из-за соединения с вторичной обмоткой трансформатора. В таком случае его необходимо предварительно демонтировать. При проверке диодных мостов надо присоединить один из измерительных щупов к отрицательному или положительному выходу моста и протестировать подключенные к этому выводу диоды.

Для проведения полной проверки необходимо выполнить восемь тестов (по два на каждый диод). При этом полезно иметь под рукой эквивалентную схему, которая отражает внутреннее строение диодного моста.

4.4.7. Проверка впаянных компонентов

Чтобы не отпаивать некоторые особенно чувствительные к нагреву компоненты с целью их тестирования можно рассечь дорожки металлизации на печатной плате, соединяющие этот компонент с другими. После этого, обеспечив электрическую изоляцию, можно провести тестирование таким же образом, как и при отпайке компонентов. Не рекомендуется рассекать одновременно несколько дорожек, а сразу после окончания проверки исходное соединение следует восстановить.

4.4.8. Проверка тиристоров

Простейший способ проверки тиристоров представлен на рис. 4.12. Сопротивление исправного тиристора составляет несколько мегаом, а пробитого — близко к нулю. Если анод исправного тиристора соединить на мгновение с управляющим электродом (УЭ), прибор покажет сопротивление короткого замыкания.

Рис. 4.12. Проверка тиристора с помощью мегомметра

4.4.9. Проверка транзисторов

Чтобы проверить исправность полупроводникового транзистора, не включенного в схему, на отсутствие коротких замыканий, необходимо измерить сопротивления между его электродами.

Поскольку транзистор состоит из двух переходов, причем каждый из них представляет собой полупроводниковый диод, проверить транзистор можно таким же образом, как и диод. Для этого омметр подключают поочередно к базе и эмиттеру, к базе и коллектору, к эмиттеру и коллектору, меняя полярность подключения. На рис. 4.13 показано, как измеряют прямое и обратное сопротивление каждого из переходов. У исправного транзистора прямые сопротивления переходов составляют 30–50 Ом, а обратные — 0,5–2 МОм. При значительных отклонениях от этих величин транзистор можно считать неисправным.

С транзистором p-n-р типа производят те же действия, но полярность напряжения должна быть обратной. Остается проверить переход коллектор-эмиттер, который не должен пропускать ток. При проверке ВЧ транзисторов напряжение батареи омметра не должно превышать 1,5 В. Следует также иметь в виду, что транзисторы Дарлингтона иногда имеют защитный диод, включенный между коллектором и эмиттером. Для более точной проверки необходимо использовать специальные приборы.

Рис. 4.13. Проверка транзистора с помощью омметра

Многие модели современных мультиметров имеют специальные гнезда для подключения транзисторов с целью проверки их исправности. Наличие такого прибора значительно упростит работу радиолюбителя и ускорит проверку. Для этого желательно измерить обратный ток коллектора, обратный ток эмиттера и ориентировочное значение коэффициента усиления по току. Пригодность транзистора определяется сравнением полученных при измерении данных с данными, указанными в паспорте транзистора.

При измерениях параметров отдельного транзистора можно выявить обрывы электродов и замыкания в транзисторах, но это же можно сделать и при измерениях в схемах с транзисторами. При этом нужно иметь в виду, что применяемый измерительный прибор должен обладать достаточно большим внутренним сопротивлением. При проведении электрических измерений можно сделать следующие выводы:

• при обрыве цепи базы напряжения базы и эмиттера отсутствуют, напряжение коллектора повышено;

• при обрыве цепи эмиттера напряжение коллектора повышено, напряжение базы почти нормальное, напряжение на эмиттере приблизительно равно напряжению базы;

• при обрыве цепи коллектора напряжения на всех электродах транзистора уменьшаются;

• при обрыве базы внутри транзистора напряжение базы близко к нормальному, напряжение эмиттера уменьшается, а напряжение коллектора повышается;

• при замыкании эмиттера и коллектора внутри транзистора напряжение базы изменяется незначительно, напряжение эмиттера возрастает, напряжение коллектора падает.

4.4.10. Проверка транзисторов без выпаивания

При ремонте бытовой радиоаппаратуры часто возникает необходимость проверить исправность полупроводниковых транзисторов без выпаивания из схемы. Один из способов проверки — измерение омметром сопротивления между выводами эмиттера и коллектора при соединении базы с коллектором (рис. 4.14а) и соединении базы с эмиттером (рис. 4.14б). При этом источник коллекторного питания отключают от схемы. Если транзистор исправен, в первом случае омметр покажет малое сопротивление, во втором — порядка нескольких десятков или сотен килоом.

Рис. 4.14. Схема проверки исправности транзистора

4.4.11. Проверка полевых транзисторов

Из многочисленных параметров полевых транзисторов практическое значение имеют только два: I_{С НАЧ} — ток стока при нулевом напряжении на затворе и S — крутизна характеристики. Эти параметры можно измерить, используя простую схему, изображенную на рис. 4.15. Для этого потребуется миллиамперметр РА, например из состава мультиметра, батарея GB1 напряжением 9 В («Крона» или составленная из двух батарей 3336Л) и элемент GB2 напряжением 1,5 В (например, элемент АА).

Рис. 4.15. Проверка полевого транзистора

Сначала вывод затвора соединяют проволочной перемычкой с выводом истока. При этом миллиамперметр зафиксирует первый параметр транзистора — ток стока I_{С НАЧ}. Записывают его значение. Затем снимают перемычку и подключают вместо нее элемент GB2. Миллиамперметр покажет меньший ток в стоковой цепи. Если теперь разность двух показаний миллиамперметра разделить на напряжение элемента, полученный результат будет соответствовать численному значению параметра S проверяемого полевого транзистора.

При измерении параметров полевого транзистора с р-n переходом и каналом пятила полярность включения миллиамперметра РА, батареи GB1 и элемента GB2 должна быть обратной.

4.4.12. Проверка элементов питания

Проверку гальванических батарей и сухих элементов осуществляют с помощью вольтметра при подключенной нагрузке (рис. 4.16). Нагрузкой может быть или лампа накаливания с соответствующим номинальным током, или резистор R, сопротивление которого рассчитывается по закону Ома (величина потребляемого тока берется порядка 100–200 мА). Для сухих элементов (1,5 В) напряжение, измеренное под нагрузкой, не должно быть меньше 1,36 В, а для гальванических батарей 4,5 В — от 3,8 до 4 В.

Рис. 4.16. Проверка гальванических батарей и сухих элементов с помощью вольтметра при подключенной нагрузке

4.5. Методы определения неизвестных параметров

4.5.1. Определение полярности электролитического конденсатора

Очень легко сделать ошибку при установке на плату электролитических конденсаторов, особенно импортного производства, так как справочную информацию по ним найти трудно, а на корпусе полярность не всегда указана. В этом случае удобно воспользоваться схемой, приведенной на рис. 4.17, которая позволит легко определить полярность конденсатора по минимуму тока утечки. Утечка замеряется косвенным методом по падению напряжения на резисторе R после окончания заряда подключенного конденсатора.

Напряжение, подаваемое с блока питания, не должно превышать допустимое рабочее для конденсатора. При неправильном подключении полярности конденсатора утечка будет в 10-100 раз больше по сравнению с правильным. Эти измерения проводят при помощи вольтметра с большим входным сопротивлением.

Рис. 4.17. Схема для определения полярности электролитического конденсатора

4.5.2. Определение емкости конденсатора

Маркировка конденсаторов при помощи цветового кода применяется достаточно редко. Значение емкости обычно пишется на корпусе прибора. Однако размер надписи на миниатюрных компонентах поверхностного монтажа столь мал, что ее невозможно прочесть. Иногда же маркировка неразборчива (из-за некачественной печати) или даже ошибочна и на классических компонентах. Чтобы с достаточной точностью определить емкость конденсатора, можно собрать простую схему генератора импульсов, показанную на рис. 4.18.

Рис. 4.18. Схема генератора импульсов

Вначале измеряют частоту генератора с эталонным конденсатором или, по крайней мере, с конденсатором известной емкости, а затем его заменяют компонентом, емкость которого требуется определить. Повторно измеряют частоту и определяют требуемый параметр с помощью простого соотношения. Такую схему можно без труда смонтировать на макетной плате, снабженной разъемом для подключения осциллографа.

4.5.3. Определение полярности выводов светодиодов

Светодиоды, как и все полупроводниковые диоды, имеют различающиеся выводы (анод и катод), требующие определенной полярности рабочего напряжения. Но в некоторых случаях установить расположение выводов непросто из-за отсутствия единого стандарта на маркировку. Например, не всегда можно полагаться на разные длины выводов (вывод анода обычно длиннее, чем катода) или на их внешний вид. Попытки определить тип электродов, рассматривая внутренность прозрачного корпуса светодиода, также не всегда приводят к успеху.

Для определения полярности выводов следует использовать мультиметр в режиме измерения сопротивления. Прежде всего, нужно сопоставить цвет используемых проводов с полярностью напряжения на выходных гнездах прибора. При инверсном подключении мультиметр не даст никаких показаний: сопротивление диода слишком велико. При правильной полярности поданного напряжения (отрицательный полюс источника соединен с катодом) обычно индицируется значение 1,6–1,8 кОм и наблюдается слабое свечение. Когда применяются однотипные светодиоды, достаточно установить полярность выводов для одного из них.

Наконец, при отсутствии мультиметра можно изготовить импровизированный тестер, используя батарейку и резистор, который подбирается так, чтобы обеспечить надежное зажигание светодиода при правильной полярности подключения без превышения допустимого тока (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Тестер светодиодов

4.5.4. Определение цоколевки биполярного транзистора

В радиолюбительской практике часто бывает необходимо определить расположение выводов транзистора (например, импортного), а справочника под рукой нет. Особые трудности возникают при использовании маломощных транзисторов, у которых выводы не имеют маркировки. В этом случае цоколевку транзистора можно определить следующим способом.

Сначала с помощью омметра найдите вывод базы транзистора и определите его структуру. На омметре нужно установить предел измерения х10 и поочередно подключать его щупы к паре выводов, передвигаясь по кругу.

Обнаружив при подключении, что сопротивление между выводами мало (сотни ом), перенесите минусовый щуп омметра к оставшемуся свободным третьему выводу. Если омметр также зафиксирует малое сопротивление, значит, вывод, к которому оставался подключенным плюсовой щуп омметра, является базой, а структура транзистора — n-р-n.

Если будет зафиксировано большое сопротивление, поменяйте местами щупы. Резкое уменьшение сопротивление свидетельствует о том, что базой транзистора является вывод, к которому подключен минусовый щуп омметра, а сам транзистор имеет структуру р-n-р.

Может случиться, что вы не обнаружите вывод, который по указанной методике определяется как вывод базы. Это будет означать, что транзистор, скорее всего, неисправен.

Определив вывод базы, подключите щупы омметра к оставшимся двум выводам в произвольной полярности, принимая, что коллектором в данный момент является вывод, с которым соединен плюсовой щуп (для n-p-n транзистора) или минусовой (для р-n-р транзистора). Затем подключите к выводам базы и предполагаемого коллектора постоянный резистор сопротивлением 30–50 кОм.(Отсчитав показания омметра, измените полярность его подключения и повторно подсоедините указанный резистор между выводами базы и предполагаемого коллектора. После этого вновь отсчитайте показания омметра. Вывод транзистора, на котором сопротивление при подключении резистора меньше, и будет коллектором, а оставшийся неопознанным вывод — эмиттером.

Следует иметь в виду, что плюсовым выводом омметра, входящего в состав мультиметра, обычно является общий вывод прибора.

4.5.5. Определение полярности источника постоянного тока

Ремонт различных устройств не всегда производится в мастерской, поэтому довольно часто под рукой не оказывается даже тестера (мультиметра). А нужно, скажем, определить полярность элемента питания, у которого стерлась маркировка (например, батарей с гибкими выводами, применяемых в технике связи). В таких условиях рекомендуется пользоваться следующими способами.

В стакан наливают теплую воду и растворяют в ней столовую ложку поваренной соли. Затем в воду опускают концы проводов, подключенных к выводам батареи. У провода, соединенного с отрицательным выводом батареи, будут интенсивно выделяться пузырьки газа (рис. 4.20а).

Сырой клубень картофеля разрезают на две части и в одну из частей со стороны среза втыкают на расстоянии 15–20 мм друг от друга провода от зажимов батареи, зачищенные от изоляции. Около провода, соединенного с положительным полюсом батареи, картофель окрасится в зеленый цвет (рис. 4.20б).

Рис. 4.20. Определение полярности источника постоянного тока с помощью раствора поваренной соли (а), картофеля (б), пламени свечи (в), самодельного индикатора (г)

Два проводника, подключенных к источнику более высокого напряжения, вводят в пламя свечи. Под действием напряжения пламя свечи станет низким и широким, а на отрицательном электроде появится тонкая ленточка сажи (рис. 4.20в).

Для постоянного пользования можно изготовить простой индикатор для определения полярности неизвестного источника. Он представляет собой стеклянную трубочку, закрытую пробками, с пропущенными внутрь нее электродами (держатели спирали), взятыми от перегоревшей электролампы (рис. 4.20 г).

Для заполнения полости трубочки готовят раствор селитры (1 часть) в воде (4 части). К этому раствору добавляется такой же объем смеси из глицерина (5 частей) и раствора фенолфталеина (0,1 части) в винном спирте (1 часть).

Такой индикатор служит годами. У отрицательного полюса содержимое трубочки окрашивается в красный цвет, а если напряжение источника переменное, то оба электрода приобретают розовый оттенок. Чтобы вернуть прибор в исходное положение, достаточно встряхнуть трубочку.

4.5.6. Определение параметров неизвестного трансформатора

В радиолюбительской мастерской всегда найдется несколько трансформаторов, которые остались от старых приборов, но сохранили свою работоспособность. Вот только характеристики устройства или утеряны, или забыты. Но это не беда.

Чтобы определить параметры неизвестного трансформатора, нужно поверх его обмоток выполнить вспомогательную обмотку из нескольких витков (N1) медного изолированного провода диаметром 0,12-0,4 мм. Затем, измеряя сопротивление обмоток омметром, надо определить обмотку с наибольшим сопротивлением и, считая ее первичной, подать на нее напряжение U1 сети переменного тока порядка 50-100 В. Вольтметр, включенный в цепь вспомогательной обмотки, покажет при этом напряжение U2. Число витков N1 в обмотке, включенной в сеть, легко определить из известного соотношения.

Коэффициент трансформации между этими обмотками равен отношению N2/N1. Точно так же можно определить число витков и коэффициенты трансформации других обмоток. Точность расчетов по этому методу зависит от точности показаний вольтметра и от количества витков вспомогательной обмотки: чем больше витков, тем выше точность.

4.5.7. Определение внутреннего сопротивления стрелочного прибора

Для расчета элементов схемы при конструировании измерительных приборов необходимо знать характеристики самого стрелочного прибора. Сопротивление рамки магнитоэлектрического микроамперметра может быть измерено простым и безопасным способом. Для этого следует собрать цепь, состоящую из прибора РА, сопротивление рамки R_вн, которого нужно определить, переменного добавочного резистора R_доб, батареи питания GB, шунтирующего резистора R_ш и выключателя SA (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Измерение внутреннего сопротивления прибора

Сопротивление добавочного резистора R_доб подбирают при отключенном R_ш таким образом, чтобы стрелка прибора отклонилась на всю шкалу. Затем параллельно рамке прибора подключают шунтирующий резистор переменного сопротивления R_ш, значение которого выбирают с таким расчетом, чтобы стрелка прибора отклонилась на половину шкалы. При данном условии ток в рамке будет равен току, протекающему через R_ш, то есть R_вн = R_ш. Затем шунтирующий резистор можно отключить и измерить его величину с помощью омметра.

Подобным способом можно определить внутреннее сопротивление измерительного генератора, а также выходного каскада усилителя НЧ. К выходу ненагруженного устройства нужно подключить ламповый вольтметр, показания которого записывают при отсутствии нагрузки на выходе. Затем к выходу генератора (усилителя) подключают сопротивление такой величины, чтобы показания вольтметра уменьшились вдвое. Внутреннее сопротивление генератора на данной частоте будет точно равно величине сопротивления подключенного резистора.

4.5.8. Определение параметров коаксиального кабеля

Одним из основных параметров высокочастотного кабеля является волновое сопротивление. Обычным омметром его не измерить — для этого нужен специальный прибор. Сам кабель (отечественного производства) не имеет маркировки, и если вы не знаете его тип, то, воспользовавшись штангенциркулем, легко сможете определить волновое сопротивление с помощью несложных вычислений.

Для этого нужно снять внешнюю защитную оболочку с конца кабеля, завернуть оплетку и измерить диаметр внутренней полиэтиленовой изоляции. Затем снять изоляцию и измерить диаметр центральной жилы. После этого результат первого измерения разделить на результат второго: при полученном отношении примерно 3,3–3,7 волновое сопротивление кабеля составляет 50 Ом, при отношении 6,5–6,9-75 Ом.

Вторым важным параметром является удельное затухание. Эта величина характеризует потери уровня сигнала при его прохождении через один метр кабеля и позволяет сравнивать кабели разных марок. Затухание тем сильнее, чем больше длина кабеля и выше частота сигнала. Удельное затухание измеряется в децибелах на метр (дБ/м) и приводится в справочниках в таблицах или на графиках.

На рис. 4.22 приведены зависимости удельного затухания коаксиальных кабелей разных марок от частоты. Пользуясь ими, можно подсчитать затухание сигнала в кабеле на любой частоте при известной его длине.

Рис. 4.22. Удельное затухание коаксиальных кабелей

Обозначение отечественного коаксиального кабеля состоит из букв и трех чисел: буквы РК обозначают радиочастотный коаксиальный кабель, первое число показывает волновое сопротивление кабеля в омах, второе — округленный внутренний диаметр оплетки в миллиметрах, третье — номер разработки. Из графика видно, что удельное затухание зависит от толщины кабеля: чем он толще, тем удельное затухание меньше.

Зная длину кабеля, можно перевести затухание (в децибелах) в относительное ослабление уровня сигнала на выходе, воспользовавшись табл. 4.1.

4.5.9. Расчет волнового сопротивления линии

Для практического определения волнового сопротивления любой неизвестной линии передачи, от коаксиального кабеля до пары скрученных проводов, нужно воспользоваться измерителем индуктивности и емкости. Волновое сопротивление линии с малыми потерями определяется по формуле:

где Z- волновое сопротивление, Ом; L — индуктивность закороченной линии, Гн; С- емкость разомкнутой линии, Ф. Для расчета необходимо выполнить измерение индуктивности закороченного участка линии длиной 1–5 м, а затем измерить емкость этого же участка, разомкнутого на конце. При меньшей или большей длине отрезка линии погрешность измерения увеличивается.

Например, волновое сопротивление сетевых шнуров питания лежит в пределах 30–60 Ом, большинства экранированных микрофонных шнуров — 40–70 Ом, телефонной пары — 70-100 Ом.