Naprawa AGD, pralki, zmywarki, sprzęt gastronomiczny, moduły elektroniczne  

Specjalizacja elektroniczne moduły sterujące AGD  

Przyczyny uszkadzania się triaków w elektronicznych modułach sterujących sprzętu AGD

Jedną z kilku przyczyn uszkodzeń elektronicznych układów sterujących sprzętu AGD jest zwarcie w instalacji elektrycznej lub elementach wykonawczych takich jak pompa, elektrozawory itp. Bliskość wody, proszku do prania powoduje, że zwarcia takie są bardzo prawdopodobne, szczególnie w sprzęcie kilkuletnim, w którym pojawił sie jakikolwiek wyciek, chociaż pył ze zużywających się szczotek węglowych potrafi czasem spowodować podobny problem.

Większość elementów wykonawczych w pralce sterują triaki, przekaźniki sterują tylko grzałką lub grzałkami i przypadku pralko - suszarki oraz zmianą kierunku silnika. Triaki, choć umożliwiają płynną regulację napięcia podawanego na element, wymagają bardzo niewielkiej mocy sterującej a także charakteryzują się niewielkimi rozmiarami, sa obarczone jedną bardzo poważną wadą - praktycznie brak rozsądnej cenowo możliwości zabezpieczenia przed zwarciem.

Przyczyny uszkodzenia triaka są następujące:

Podczas normalnej eksploatacji nie ma możliwości uszkodzenia triaka przez przekroczenie napięcia na elektrodach i w rezultacie jego przebicia. Są one zabezpieczane warystorami przed przepieciem, poza tym sa dobierane ze sporym zapasem, zwykle na około 800V. Normalnie nie ma powinno być połaczeń iskrzących które mogłyby byc źródłem niebezpiecznych przepięć. Problem pojawia się podczas stanów awaryjnych. Zwarcie powoduje bardzo szybkie narastanie prądu w uszkodzonym obwodzie. Obwody sterowne w pralkach to pompy oraz elektrozawory, które charakteryzują się indukcyjnością, która przeciwstawia sie zmianom prądu w obwodzie. Działnie indukcyjności polega na wytworzeniu napięcia skierowanego przeciwnie do kierunku zmian prądu i im szyciej zmienia się prąd, tym większe powstanie napięcie - jest to zjawisko samoindukcji. Prędkości narastania są na tyle duże, że siła elektromotoryczna samoindukcji na pewno przekroczy 800V, niszcząc triak już na etapie narastania prądu zwarciowego. Jeśli w uszkodzonym obwodzie znajdowałby się bezpiecznik i przepaliłby się przed dopuszczalnym niepowtarzalnym prądem triaka (tzw. prąd w impulsie) to szybkie zanikanie pradu również powoduje pojawienie się samoindukcji. Tym razem wartości napięcia indukowanego bez problemu osiągaja 2000V.

Rysunek przedstawia napięcia podczas komutacji prądów zwarciowych w obwodzie ze zwykłym bezpiecznikiem szybkim. Na tym wykresie skala jest zachowana i odzwierciedla faktyczne poziomy prądów i napięć które występują w takim obwodzie. Napięcie szczytowe wielokrotnie przekracza dopuszczalne impulsowe napięcia triaka, tak więc nawet triak który wytrzymałby prąd w stanie zwarcia ulegnie zniszczeniu na skutek pojawienia sie niedopuszczalnie wysokiego napięcia..

Aby skutecznie zabezpieczyć triak przed uszkodzeniem należy ograniczyć prędkość narastania prądu, co ograniczy szczytowe napięcie indukowane w obwodzie oraz jego wartość w chwili wyłączenia. Można to osiągnąć poprzez zastosowanie bezpieczników specjalnych do ochrony półprzewodników. Bezpieczniki te charakteryzują się małą wartością całki Joule'a, która jest miarą energii do przetopienia topika. Bezpiecznik musi być tak dobrany, aby ta energia była mniejsza niż dopuszczalna energia podana w katalogu triaka.

Rysunek przedstawia napięcia podczas komutacji prądów zwarciowych w obwodzie z bezpiecznikiem ultraszybkim, dedykowanym do ochrony półprzewodników. Na tym wykresie skala jest zachowana i odzwierciedla faktyczne poziomy prądów i napięć w stanach zwarcia. Jak widać amplituda prądu oraz szczytowe napiecie w chwili przerywania prądu jest znacznie ograniczone w stosunku do zwykłych bepiecznikow szybkich. Trzeba jednak zwrócić uwagę, iż miniaturowe triaki dobrane na granicy wytrzymałości nie będą skutecznie chronione nawet przez takie bezpieczniki.

Jak wykazano powyżej, nie istnieje tanie i skuteczne zabezpieczenie triaka, każdorazowo po zwarciu konieczna jest jego wymiana. Niestety, dążenie do miniaturyzacji powoduje rezygnację z dość dużych i sporych bezpiecznikówa a także z przewymiarowywwania triaków dzięki czemu moduł jest mniejszy. O ile w przypadku produkcji małoseryjnej takie podejście wydaje się być pozbawione sensu, o tyle w produkcji masowej, a na taką skalę produkuje sie sprzęt AGD takie podejście przekłada się na konkretne oszczędności.

Podejście to jest uzasadnione polityką serwisową w wielu krajach, które są rynkiem docelowym sprzętu AGD, w których krrajach poziom cen sprzętu AGD jest taki jak u nas, a poziom płac znacznie wyższy. Powoduje to, że najdrobniejsza naprawa związana z wizytą technika, lub inżyniera elektronika przy sprzęcie kilkuletnim jest nieopłacalna.

Sterowanie triakiem ze względu na minimalizację kosztów produkcji odbywa się zawsze bez izolacji pomiędzy procesorem a siecią zasilającą, bezpośrednio z procesora, wyłacznie poprzez rezystor ograniczający prąd bramki triaka, czasem stosowane są bufory w postaci tranzystorów dyskretnych lub Darlingtonów. Łaczenie linii zasilających procesor 5V bezpośrednio z siecią zasilającą w celu uproszczenia układu sterowania triakami jest bardzo powszechną praktyką. Poniższy schemat przedstawia uproszczony układ sterownia triaka, stosowany w pralce Whirlpool. Procesor zasilany jest napięciem 3.3V, tak więc napiecie na rezystorze od strony procesora wynosi najwyżej 5V gdy zastosowano podciąganie dodatkowym rezystorem pull-up. Punkt gwiazdowy sieci zasilającej jest bezpośrednio połaczona z masą procesora, natomiast sterowane triakiem obciążenie połączone jest z fazą sieci. Dopóki triak jest sprawny, układ taki nie powoduje żadnego zagrożenia dla procesora. Problem pojawi się w dwóch sytuacjach:

Do pierwszej sytuacji może dojść na skutek zalania modułu, osadzenia się pyłu węglowego lub nieumijętnej naprawy. Druga sytuacja może wystąpić, gdy w obciążeniu wystąpi zwarcie. W obu opisanych sytuacjach napięcie 230V pojawi się na bramce i przeniesie się na elementy wspólpracujące, które ulegną zniszczeniu. Im wiecej elementów pośredniczących, tym więsze prawdopodobieństwo, że nie dojdzie do uszkodzenia portu procesora. Ponadto, zawsze w procesorach istnieją elementy ochronne do zabezpiecznia portów przed elektrycznością statyczną (ESD). Elementy te chronią przed napięciami statycznymi rzędu kilowoltów. Praktyka pokazuje, że po takim zdarzeniu w większości przypadków procesor nie ulegnie zniszczeniu. Jednak to, że nie uległ uszkodzeniu raz nie oznacza niestety że nie ulegnie uszkodzeniu po raz drugi. Uszkodzenie rezystora prowadzącego do pinu procesorasugeruje, że w procesorze do uszkodzenia doszło. Zwykle założenie nowych triaków "na próbę" i włączenie do sieci nie wyszukując przyczyny zwarcia przez "majstrów" nie znających budowy portów procesora powoduje nieodwracalne jego uszkodzenie i konieczność wymiany kosztownego modułu.

Istnieje pewien bardzo prosty a zarazem skuteczny sposób na zmniejszenie ryzyka uszkodzenia procesora w razie zwarcia oraz przebicia triaka - zadbanie, aby masa elektroniki była na potencjale przewodu neutralnego sieci. Decyduje o tym połączenie przewodów w gnieździe zasilającym.

Fotografie przedstawia opisywane uszkodzenie. Po lewej moduł pralki Bosch, obwód pompy odpływowej, po prawej moduł pralki Indesit / Ariston z uszkodzonym triakiem blokady.W obu przypadkach sprzęt dało się naprawić.

Zwarcie spowodowało uszkodzenie triaka. Na tym module triak jest sterowany z tranzystora, tak więc uległ on prawdopodobnie uszkodzeniu wraz ze znajdującym się w bramce rezystorem.

Powyższa fotografia przedstawia moduł z procesorem który otrzymał 230V w linii zasilającej. Widać uszkodzony stabilizator 3.3V oraz napuchnięty kondensator elektolityczny stabilizujący 3.3V. Takiego modułu naprawić się nie da, ponieważ wymagałoby to wymiany i zaprogramowania pamięci programu nowego procesora wsadem, któym nie dysponuje nawet serwis autoryzowany, zwykle jedynie producent modułu, na szczęście takie usterki to rzadkość.

Bardzo dobrym sposobem na ochronę procesora w razie wystąpienia zwarć triaka jest zastosowanie izolacji pomiędzy procesorem a triakami. Sposób ten nie chroni oczywiście przed zniszczeniem triaka w razie zwarcia, bo jak wykazano powyżej jest ono nieuniknione, o tyle uniemożliwia przeniesienie napięcia sieciowego w stanach awaryjnych na elementy portu procesora których naprawić się nie da.

Schemat przedstawia sposób sterowanie triakiem poprzez transoptor. W tej sytuacji niezależnie co się stanie z triakiem napięcie sieciowe się nie przeniesie na elementy sterujące, ponieważ strona wysokiego napięcia jest odseparowana od strony sterującej za pomoca diody i optotriaka. Brak jest jakiegokolwiek połączenia elektrycznego pomiędzy tymi obwodami wewnątrz optotriaka. Optotriak jest wyzwalany przez zaświecenie umieszczonej wewnątrz diody. Wadą tego rozwiązania jest to, że po zwarciu taki moduł kwalifikuje się do naprawy, która w tym rozwiązaniu zawsze jest możliwa. Tym niemniej jeśli wystąpiło w sprzęcie zwarcie to i tak konieczne jest usunięcie jego przyczyny.

Sprzęt produkowany małoseryjnie w takie zabezpieczenia jest wyposażony, co czyni elektronikę zawsze naprawialną.

Bezpieczniejszą alternatywą pomiędzy triakiem sterowanym bezpośrednio z procesora a izolacją galwaniczną w układach gdzie triak ma za zadanie tylko włączyć element wykonawczy a nie regulować jego prędkość (pompa, zawór, blokada) jest zastosowanie zamiast dyskretnych triaków specjalizowanych układów scalonych np typu ACS108-6S które to znacznie zmniejszają prawdopodobieństwo przeniesienia się napięcia sieci na procesor.

Dlaczego nie warto wymieniać triaków "na próbę".

Dla tych, którzy by chcieli wymienić triak, jego rezystor bramkowy i spróbować uruchomić sprzęt bez usunięcia przyczyny jego uszkodzenia warto pokazać, dlaczego takie postępowanie może spowodować całkowite zniszczenie naprawianego modułu. Poniższy rysunek przedstawia zabezpieczenie portu procesora, które umieszczone jest w jego strukturze wewnętrznej. Z reguły uszkodzenie triaka skutkuje także uszkodzeniem rezystora prowadzącego do portu. Warto się w tym miejscu zastanowić, przez jaki obwód zamknął się prąd który przepalił rezystor tak, że procesor nadal działa. Rezystory w strukturze krzemu wytrzymają znacznie mniej niż rezystory SMD.

Na poniższym rysunku widać diody zabezpieczające każdy z portów procesora Atmega32. Głównym celem tych diod jest ochrona przed elekrycznością statyczną oraz przepięciami. Nadmierny wzrost prądu spowodowany przyłożeniem zbyt wysokiego napięcia w pierwszej kolejności zamknie się poprzez diody, których charakterystyka jest nieliniowa.

Praktyka powoduje, że w takiej sytuacji najczęściej nastąpi uszkodzenie zarówno diod w procesorze jako najbliższym elemencie, przez który duży prąd może popłynąć. Jednak procesor z uszkodzonymi diodami zabezpieczającymi może pracować. Nietrudno jednak jest przewidzieć, co się stanie, gdy prąd uszkodzeniowy pojawi się po raz kolejny. Wówczas dioda nie będzie mogła już przejąć nadmiernego prądu, co zniszczy obwody wejściowe procesora.

Aby prawidłowo przeprowadzić taką naprawę, należy takie diody zamontować na zewnątrz procesora, możliwie blisko bramki triaka, jednak za rezystorem prowadzącym do bramki triaka. Rozwiązanie to jest nawet lepsze od oryginalnego, gdyż ewentualny prąd awaryjny nie będzie zamykał się przez połączenia masy wewnątrz procesora, lecz na zewnątrz. Z tego samego powodu nie wolno wymieniać rezystora szeregowego na mniejszą rezystancję, co zwiększy ewentualny prąd uszkodzeniowy. Tym bardziej nie wolno montować rezystora w obudowie większej nawet o jeden stopień niż był oryginalnie. Argument, że taki był w sklepie można porównać do tego, że bezpiecznika nie było pod ręką a gwóźdź był. Miejsza obudowa oznacza mniejszą pojemność cieplną a więc znacznie szybsze przepalenie się takiego rezystora w sytuacji awaryjnej.

Jednym z często niszczących moduły elektroniczne elementem pralki jest blokada drzwi. Zdjęcie takiej blokady która uszkodziła moduł przedstawia poniższa fotografia:

Na powyższej fotografii widać blokadę pralki, widoczne ślady korozji. W środowisku wilgotnym w okolicach klapy pralki ładowanej od góry nastąpiło przebicie i uszkodzenie triaka sterującego na module elektronicznym. Oczywiście przy takim stanie blokady wymiana samego triaka lub nawet całego modułu na pewno nie będzie naprawą na dłużej.

Literatura: http://www.elportal.pl/pdf/k01/63_102.pdf

© elektryk-trojmiasto.pl