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Keysite Oszilloskop stirbt im Standby – Netzteilreparatur

Ein interessantes Problem ist bei der Messtechnik in den Labors meines Arbeitsplatzes aufgetreten. Mit „Messtechnik“ bezeichne ich die Ausstattung eines Laborarbeitsplatzes, für die Grundlagenausbildung. Von den Laborarbeitsplätzen gibt es insgesamt neunzehn Einheiten, die mit je zwei Labornetzgeräten, zwei Tischmultimetern, einem Keysite Signalgenerator und einem Keysite (Agilent) Oszilloskop der Serie Infiniivision DSO-X 20xx ausgerüstet sind. Alle Geräte sind netzwerkfähig und sind über LAN mit dem zugehörigen Arbeitsplatzrechner verbunden. So kann mit Hilfe unterschiedlicher Software (Agilent VEE, Matlab, LabVIEW etc.) auf die Messgeräte zugegriffen werden. Die Geräte wurden vor ca. drei Jahren angeschafft und ersetzt die fast zwanzig Jahre alte Laborausstattung. 

Doch nun ist der Fall aufgetreten, dass bei einem Arbeitsplatz das DSO-X2012A Oszilloskop kein Lebenszeichen mehr von sich gab. Es kommt gelegentlich vor, dass bei Laborübungen oder beim freien Arbeiten in den Labors einmal ein Studierender den Not-Aus Schalter des Arbeitsplatzes betätigt und ihn so stromlos macht.  Doch das war nicht der Fall. Alle an dem Arbeitsplatz angeschlossenen Geräte funktionierten, mit Ausnahme des DSO. Auch am Ende des Kaltgerätesteckers war Spannung zu messen. Also konnte das Problem nur am Oszilloskop selber liegen. Die Rückwand ist schnell abgeschraubt, ein Schirmblech entfernt und das Netzteil liegt frei. Gleich bei der ersten optischen Begutachtung ist der große Siebelko mit nach oben gewölbter Kappe aufgefallen. Aber einmal schön der Reihe nach.

Netzteil des Infiniivision

An den AC Pins vom Netzeingang war die Netzspannung zu messen, jedoch an keinem der Ausgänge des Netzteils eine Gleichspannung. Egal ob der Powerschalter des Gerätes ein- oder ausgeschaltet war. Die Vermutung liegt nahe, dass das Netzteil defekt ist.

Eingangssicherung

Zunächst wurde das Netzteil ausgebaut und beginnend von der AC-Eingangsseite untersucht. Die Printsicherung im Bereich des Netzfilters ist gleich als erstes defektes Bauteil aufgefallen. Es handelt sich um eine träge 6.3A/250V Sicherung. Da eine ausgelöste Sicherung immer einen Grund hat, abzuschalten, wurde weitergesucht. Die Netzgleichrichter waren ok, jedoch hatte der 100uF / 420V Elektrolytkondensator, der als Gleichspannungsglättung der Primärseite eingesetzt ist, thermisch schon einiges abbekommen und war aufgebläht.

originaler Elko 100uF /420V /105°C

Auch seine Kapazität war nicht mehr im Nominalbereich. Aber auch das war nicht direkt der Grund für das Auslösen der Sicherung. Der war dann schnell gefunden. Ein Mosfet der als Ansteuerung des Transformators dient, war niederohmig. Genauer gesagt er hatte einen Kurzschluss zwischen allen Anschlüssen.

Mosfet STP12NM50

Das folgende Bild zeigt die Einbaupositionen der Bauteile. Diese wurden erneuert. Der Mosfet wurde durch einen Originaltyp ersetzt und der Netzelko gegen einen 100uF / 450V /105°C Typ getauscht. Der ist zwar von der Bauhöhe etwa fünf Millimeter höher, passt aber problemlos in das Netzteil.

Einbaulage des Kondensators und des Mosfet

Auf der Rückseite der Netzteilplatine waren zwei SMD Widerstände im Bereich des Gate-Anschlusses des Mosfet defekt. Es handelt sich dabei um einen SMD Widerstand der Baugröße 0805 mit 5,11 Ohm und einen SMD Widerstand der Baugröße 1206 mit 2,0 kOhm. Das untenstehende Bild zeigt auch hier wieder die Einbaulage.

Einbaulage der defekten SMD Widerstände

Nachdem alle erwähnten Bauteile erneuert waren, wurde ein erster Funktionstest durchgeführt. Dieser war jedoch ernüchternd, denn das Netzteil arbeitete noch nicht. Die Sicherung blieb intakt und die primärseitige Gleichspannung stand stabil. Doch das Gate des Mosfet wurde nicht angesteuert – leider. Denn jetzt kam der aufwendige Teil der Reparatur. Auf der Netzteilplatine befindet sich, stehend eingebaut, eine weitere Platine, auf der mehrere Controller IC´s verbaut sind. Verfolgt man die Gate-Leitung vom Mosfet, so endet sie an einem Pin dieser Ansteuerungsplatine. Also muss diese raus.

Controllerboard ausgebaut

Dazu musste zuerst das Kühlblech entfernt werden. Dann wurde es etwas mühsam, denn das Controllerboard ist nicht über eine Stiftleiste oder Steckverbindung mit der Hauptplatine verbunden, sondern die Kontaktpins sind gelayoutet und ausgefräst. Das bedeutet, man muss die Auslötarbeiten sehr behutsam in Angriff nehmen, um die Leiterbahnen an den Enden der gefrästen Pins nicht zu beschädigen.

Mainboard ohne Controllerplatine

 

UC3842B

Als der Ausbau erfolgreich abgeschlossen war, konnte das Controllerboard begutachtet werden. Und siehe da, die vom Gate des Mosfet geroutete Leitung endet an Pin 6 eines kleinen IC´s. Dabei handelt es sich um einen UC3842B VD1R2G. Bei diesem IC war das Gehäuse gesprengt. Neben dem Controller IC, war auch ein SOT23 PNP-Transistor (PMBT 2907A) gestorben und an allen Pins niederohmig.

Einbaulage der defekten Komponenten

Nach dem Erneuern der defekten Komponenten, wurde das Netzteil wieder zusammengebaut und ein Funktionstest durchgeführt. Das Oszilloskop startete wieder und das Netzteil verrichtete seinen Dienst.

defekte Bauteile
Ergebnis nach erfolgter Reparatur

Interessant wäre es jetzt herauszufinden, warum das Netzteil nach gerade einmal drei Jahren seinen Geist aufgibt. Zumal die Oszilloskope nicht im Dauerbetrieb laufen, sondern nur während der entsprechenden Lehrveranstaltungen eingeschaltet sind. Dabei ist folgendes aufgefallen: Das Oszilloskop ist permanent an die Stromversorgung angeschlossen. Der Power-Schalter des Oszilloskops schaltet aber nicht die AC-Versorgung aus, sondern nur im Sekundärbereich des Netzteils die Controlleransteuerung. Das bedeutet, das Netzteil arbeitet im ausgeschalteten Zustand quasi im Standby-Betrieb. Und dabei ist uns aufgefallen, dass bei allen ausgeschalteten Oszilloskopen im Standby eine Verlustleistung auftritt, die die Mosfets und vor allem den 100uF Elko stark erwärmt. Das würde den aufgebähten, ausgetrockneten Elko und den darauffolgenden Tod der Netzteile erklären.  Um das zu verifizieren wurde bei mehreren Geräten die seit Tagen nicht eingeschaltet waren, die Temperatur an den Komponenten gemessen.

 
Thermofühler an der Elkooberfläche

Hier konnte folgendes festgestellt werden. Sowohl an der Oberfläche des Kondensators als auch am Kühlblech der Mosfets waren im ausgeschalteten Zustand Temperaturen von 56°C bis knapp 60°C zu messen.  Sollte das so sein ??

Temperaturmessung am Elektrolytkondensator

 

Hier noch die benötigten Bauteile:

  • Widerstand 5R11 0,1W 0,1% Farnell Nr.: 614-4257
  • Widerstand 2k0 0.66W Farnell Nr.: 721-9844
  • PNP Transistor SOT23, SMD Stempel 2F Type PMBT2907A, 215 Farnell Nr.: 1626500
  • PWM Controller IC, UC3842B VD1R2G / 500kHz Farnell Nr.: 2835218
  • Kondensator 100uF / 105°C / 450V
  • Printsicherung T6.3A 250V

 

 

 

 

Kleines Bastelprojekt zur Sommerzeit

Solarmodul
Als Mini – Bastelprojekt zur Sommerzeit bezeichne ich folgende Bastelei. Ein kleines monokristallines Solarmodul mit der Bezeichnung „SM 6“ von einem bekannten, großen Elektronikdistributor der mit „C“ beginnt und mit „d“ endet, spielt in dem Projekt die Hauptrolle. Das Modul hat eine Nennleistung von 6Wp bei einem maximalen Strom von 320mA. Die Nennspannung liegt bei 17,3V. Die Leerlaufspannung beträgt 20,8V. Die Siliziumzellen sind in einer EVA (Ethylen-Viny-Acetat) Kunststoffplatte eingebettet und UV-und feuchtigkeitsbeständig. Das ganze Modul ist ca. 25cm x 25 cm groß. Es ist also ideal geeignet, um die Energie zum Betreiben von USB-Geräten bereitzustellen. Hierbei habe ich zum Beispiel an WIFI-IP-Cams gedacht. Auch das Laden von Smartphones ode Tablets sollte damit möglich sein.
Um das nun auch durchführen zu können, muss aus der Nennspannung der Photovoltaikzelle die Betriebsspannung des USB-Standards (5V) erzeugt werden. Das könnte man jetzt ganz einfach mit einem 7805er Regler machen und die Differenz dabei in Wärme umwandeln. Doch das ist die, so ziemlich ineffizienteste Möglichkeit, die Energie des Panels in ein Handy zu bekommen.
Zum einen ist der Innenwiderstand des Panels von der Lichtintensität abhängig, was einen großen Einfluss auf den Wirkungsgrad bei nicht angepassten Lastwiderständen hat. Zum anderen ist ein Längsregler ein Energievernichter, da die Differenz zwischen Eingangsspannung und geregelter Ausgangsspannung bei Stromfluß in Verlustleistung, also Wärme umgewandelt wird. Hier ist man mit einem Schaltwandler (Buck-Converter) besser bedient.
 
In einem einfachen Laboraufbau kann das Verhalten des Panels untersucht werden. Dazu wird die Leerlaufspannung des Panels bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke gemessen. Anschliessend wird das Panel mit unterschiedlichen Widerstandswerten belastet und der Strom durch die Last, sowie die Spannung am Panel gemessen. Die Messwerte werden aufgezeichnet und der Ri (Innenwiderstand der Quelle) berechnet. Der nachfolgende Stromlaufplan zeigt den Messaufbau:
Messaufbau – Schaltung
Als Amperemeter dient ein Agilent- und als Voltmeter ein Keithley 2701 Tischmultimeter. Diese Messgeräte können beide über SCPI-Befehle gesteuert werden. Als Schnittstelle ist  jeweils ein LAN-Port vorhanden. Das macht es einfach, über einen PC und ein geeignetes Script, einen automatisierten Messablauf zu realisieren. Und da Matlab eine sehr bequeme Möglichkeit bietet, zu scripten, wird es auch gleich verwendet. Um in einem Labor messen zu können und in etwa die selben Umgebungsbedingungen zu haben, wird anstelle der Sonne eine Tischlampe mit Halogenglühbirne verwendet. Die Helligkeit der Lampe wird einfach durch die Versorgung mit einem Labornetzgerät von 0-13V eingestellt. Natürlich kann auch das Labornetzgerät per Matlab gesteuert werden.
Messaufbau mit Lampe als „Sonne“

Die Lampe ist in einem Abstand von 25cm mittig über dem Panel platziert. Um ein Gefühl zu bekommen, welche Beleuchtungsstärke mit der Lampe erreicht wird, wird mit einem Luxmeter eine Referenzmessung gemacht. Das heißt, die Lampe fährt die Leistungsrampe von 0-13V durch und das Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke im Abstand von 25cm unter der Lampe. Das Ganze wird in 0.5V Schritten aufgelöst. Daraus ergibt sich eine Kurve, die so aussieht:

Spannung an der Lampe ergibt Beleuchtungsstärke

Jetzt kann die Messung beginnen. Als Lastwiderstand werden manuell Widerstände an das Panel geschaltet und Strom und Spannung bei jeder Helligkeitsstufe gemessen. Es sind elf Lastwiderstandswerte die von 4.7 Ohm bis 220 Ohm reichen nacheinander angeschlossen. Eine Leerlaufmessung wird dann natürlich ohne Lastwiderstand gemacht. Folgender Graph zeigt den errechneten Innenwiderstand bei zwei Lasten des Panels über den Helligkeitsverlauf der Lampe in Lux und im weiteren Graph über die Spannung an der Lampe(für die bessere Skalierung). Den Innenwiderstand einer Quelle errechnet man aus der Leerlaufspannung der Quelle abzüglich der Spannung unter Last, dividiert durch den Strom. Mit der Differenz der Leerlauf und Lastspannung erhält man also den Spannungsabfall am Innenwiderstand. Da im Lastfall auch der Strom bekannt ist, braucht man nur mehr das Ohm´sche Gesetz anzuwenden, um den Widerstandswert zu erhalten…

Innenwiderstand vs. Beleuchtungsstärke
Innenwiderstand vs. Spannung an der Lampe

Da jetzt einige Klarheiten über das Verhalten der PV-Zelle beseitigt wurden, kann ich noch kurz über den Aufbau des Spannungswandlers berichten. Wie schon zuvor angekündigt, ist ein Schaltwandler der effizientere Weg, die Energie an den Verbraucher anzupassen. Hier kommt ein LM2596S zum Einsatz. Der LM 2596 ist ein „Simple Switcher Power Converter, der mit 150kHz schaltet und ein Last mit 3A versorgen kann.) Hier eine Übersicht der Funktionen:

  • 3.3-V, 5-V, 12-V, and Adjustable Output Versions
  • Adjustable Version Output Voltage Range: 1.2-V to 37-V ± 4% Maximum
    Over Line and Load Conditions
  • Available in TO-220 and TO-263 Packages
  • 3-A Output Load Current
  • Input Voltage Range Up to 40 V
  • Excellent Line and Load Regulation Specifications
  • 150-kHz Fixed-Frequency Internal Oscillator
  • TTL Shutdown Capability
  • Low Power Standby Mode, IQ, Typically 80μA
  • Uses Readily Available Standard Inductors
  • Thermal Shutdown and Current-Limit Protection

(Quelle: Datenblatt des Herstellers TEXAS Instrument)

Mit diesem Schaltwandler und noch ein paar wenigen anderen Komponenten lässt sich schnell eine Schaltung zusammenzimmern und mit dem Layouttool „Eagle“ in eine Platine verwandeln. Diese Schaltung ist aber so einfach aufgebaut, dass sie lediglich mit den Vorzügen des LM2596 möglichst effizent arbeitet, aber kein Powertracking durchführt. Das heisst, die Last, die die Schaltung für die Solarzelle darstellt wird nicht an den Innenwiderstand der Solarzelle angepasst.

 

Schaltbild des DC-DC Converters

Aus dieser Schaltung wurde dann ein einfaches Layout erstellt, eine Platine geätzt und diese bestückt. Eine USB-Buchse am Ausgang ermöglicht das direkte Ansschliessen von USB-Geräten. Um das Ganze auch einwenig vernünftig aussehen zu lassen habe ich der Platine noch ein kleines Kunsstoffgehäuse gespendet…

Messung der Beleuchtungsstärke

Messaufbau
Schaltbare Lastwiderstände
Layout am Computer
Folie zum Erstellen der Printplatte
Geätzte PCB
Bestückte PCB
Fertige Schaltung