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Praktische Fehlersuche in elektronischen Schaltungen und Geräten


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Fehlersuche in Analogschaltungen

Stromversorgung

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Bild 1: Beispiel einer Stromversorgung

Das Beispiel in Bild 1 stellt die typische Stromversorgung eines batteriebetriebenen Geräts dar:

P-MOSFET als Verpolungsschutz, Spannungsregler und versorgte Bauelemente.

Die Stromversorgung wird am besten mit einem Voltmeter überprüft.

  • Vor dem Testen eines Geräts ist es sinnvoll, die Stromversorgung zu überprüfen.

Wenn wir die Schaltung kennen, messen wir die Versorgungsspannung an einem der Bauelemente. Falls alle Bauelemente an derselben Stromversorgung liegen, können wir zunächst davon ausgehen, dass die Versorgung für alle Bauelemente in Ordnung ist, wenn sie an einem stimmt.

Wie Bild 1 zeigt, liegt die positive Versorgung meistens an Pin 14, Pin 16 oder Pin 8 der Bauelemente. Das ist der letzte Pin des Bauelements im DIL-Gehäuse, meistens auch von SMD-Gehäusen. Darauf können wir uns allerdings nicht verlassen, wie z.B. beim 4049.

Die Versorgungsspannung kann - darf - bis zu 10% vom angegeben Wert abweichen. Am besten wird noch überprüft, ob der Wert an dem Bauelement mit der gemessenen Ausgangsspannung des Spannungsreglers übereinstimmt.

Wenn wie einen Fehler auf ein Bauelement (eine Stufe) eingekreist haben, messen wir die Versorgungsspannung und den Masseanschluß dieses Bauelements, bevor wir weitere Messungen vornehmen.

  • Bei Digitalschaltungen reicht zunächst ein Logiktester.

Bei positiven Anschlüssen muss die rote LED leuchten, bei negativen die grüne.

Stimmt die Versorgungsspannung nicht, gehen wir entsprechend unserer Strategie vor.

Typische Fehler in der Stromversorgung

Fehler im Eingangskreis

Das Gerät zeigt keine Funktion.

Wenn ein Gerät keine Funktion zeigt, liegt oft ein Fehler in der Stromversorgung vor.

  • Wir messen an Pin 14 von U2E: 0V
  • Ausgang von U1 (Pin 2): 0V
  • Eingang von U1 (Pin 3): 0V
  • Offensichtlich liegt eine Unterbrechung im Eingangskreis vor.
  • Anschluss Uin+ : 9V.
  • Ist es der MOSFET Q?
  • Pin 3: 9V, Pin 2: 9V.
  • Die Unterbrechung liegt zwischen dem MOSFET und dem LM317:
    Sichtkontrolle.

Fehler: Unterbrechung in U+

Das Gerät zeigt keine Funktion.

Wenn ein Gerät keine Funktion zeigt, liegt oft ein Fehler in der Stromversorgung vor.

  • Wir messen an Pin 14 von U2E: 0V
  • Ausgang von U1 (Pin 2): 5V
  • Offensichtlich liegt eine Unterbrechung vor.
  • Leider hilft hier das Schaltbild kaum weiter.
  • Wir brauchen das Layout oder müssen das Board selbst untersuchen.
  • Bei einer Unterbrechung können wir dennoch untersuchen, zwischen welchen Stufen der Fehler liegt.
  • Möglicherweise ist nur die Stromversorgung eines Bauteils unterbrochen.
  • Dann müssen wir das Board untersuchen.
  • Zuerst schauen wir nach schlechten Lötstellen.

Fehler: Unterbrechung in Masse (0V)

Das Gerät zeigt keine Funktion.

Wenn ein Gerät keine Funktion zeigt, liegt oft ein Fehler in der Stromversorgung vor.

  • Wir messen an Pin 14 von U2E: 5V
  • Ausgang von U1 (Pin 2): 5V
  • Alle Stromversorgungsanschlüsse für U+: 5V
  • Ist die Masse, 0V in Ordnung?
  • Wir untersuchen die U- Anschlüsse der Bauelemente. Liegen dort 0V?
  • Der LM317 hat keinen Masseanschluß. Wir müssen R2 prüfen. An einem Anschluss liegen 3,75V am anderen 0V.
  • Falls wir einen oder mehrere Anschlüsse mit abweichenden Spannungen finden, haben wir den Fehler eingekreist.
  • Leider hilft hier das Schaltbild kaum weiter.
  • Wir brauchen das Layout oder müssen das Board selbst untersuchen.
  • Bei einer Unterbrechung können wir dennoch untersuchen, zwischen welchen Stufen der Fehler liegt.
  • Leider ist oft die Masse im Layout von Platinen großflächig ausgelegt.
  • Möglicherweise ist nur die Stromversorgung eines Bauteils unterbrochen.
  • Dann müssen wir das Board untersuchen.
  • Zuerst schauen wir nach schlechten Lötstellen.

Fehler: Kurzschluss

Das Gerät zeigt keine Funktion.

Wenn ein Gerät keine Funktion zeigt, liegt oft ein Fehler in der Stromversorgung vor.

  • Wir messen an Pin 14 von U2E: 0V
  • Ausgang von U1 (Pin 2): 0V
  • Liegt Eingangsspannung an Eingang von U1 (Pin 3): 9V
  • Ist U1 defekt?
  • Oder ist der Ausgang kurzgeschlossen?
  • Beim LM317 ober anderen dreibeinigen Spannungsreglern gibt es einen einfachen Test: Beim Kurzschluss wird der Regler heiß.
  • Wir prüfen vorsichtig mit dem Finger: Der LM317 ist heiß.
Attention :-(

Kurzschluss in der Stromversorgung

  • Leider hilft hier das Schaltbild kaum weiter.
  • Wir brauchen das Layout oder müssen das Board selbst untersuchen.
  • Bei einem Kurzschluss müssen wir Leitungen unterbrechen, um den Kurzschluss zu finden.
  • Leiterbahnen zu unterbrechen ist schwierig und aufwändig.
  • Ebenso ist es kaum möglich, den Pin der Stromversorgung von Bauelementen abzulöten.
  • Wir müssen in den sauren Apfel beißen.

Die fiese Tour mancher Chips

../../Projekte/Module/Quarzgenerator-Modul-Takt-Takt_s.png
Bild 2: Schaltung des Quarzgenerator-Moduls
  • Wenn beim 4518 die Stromversorgung VDD (Pin 16) nicht angeschlossen ist, arbeitet der 4518 im Quarzgenerator-Modul munter weiter.
  • Überprüfen wir Pin 16 mit dem Logiktester wird HIGH angezeigt, aber der Anschluss ist dennoch offen.
  • Messen wir die Spannung an dem offenen Pin 16, zeigt sich eine Spannung von etwa 4,3V, obwohl die Stromversorgung 5V ist.
  • Die Ursache ist die interne Schutzschaltung des CMOS-Bausteins 4518.
../../Bauelemente/74HC-Schutzschaltung.png
Bild 3: Prinzipielle Schutzschaltung von CMOS

Wenn an einem Eingang 5V liegen, wird über die integrierte Diode die Stromversorgung an 5V-0,6V gelegt. Die Stromversorgung des CMOS-Bausteins erfolgt über den Eingang. Das ist bei unserem 4518 der Fall: Enable ist mit +5V verbunden.

Beim Quarzgenerator-Modul hat das keine Auswirkung.

Die Wirkung zeigt sich bei geringer Versorgungsspannung: Obwohl CMOS meistens auch bei 2.5V noch läuft, stellt der 4518 mit offenem Pin 16 seine Funktion schon ab 3V ein.

  • Bei eigenartigen Fehlern ist es eine gute Idee, die Spannung an den Stromversorgungsanschlüssen von Bauelementen mit dem Voltmeter nachzumessen.

Fehlersuche beim Aufbau von Schaltungen

Beim Aufbau einer Schaltung können Fehler vorkommen, die von dem Schema typischer Fehler im Betrieb abweichen.

Schrittweiser Aufbau

Beim Aufbau sollten wir eine Vorgehensweise anwenden, die das Erkennen von Fehlern erleichtert. Die Vorgehensweise ist in Pragmatisches Vorgehen beim Aufbau von Schaltungen unter Iteratives Vorgehen beschrieben.

  • Wir bauen einen Teil der Schaltung auf und
  • testen die Funktion der Teilschaltung
  • bevor wir weiter bauen.

Fehler im fertigen Gerät

  • Wir haben das Gerät nicht schrittweise aufgebaut.

Als Beispiel suchen wir Fehler in einer einfachen Schaltung.

../../Projekte/LogikTester/LedTesterTransistoren-Impuls.png
Bild 4: Logiktester mit Transistoren und Impulserkennung

Die Schaltung des Logiktesters mit Impulserkennung ist zwar einfach, aber nicht simpel.

  • Wir versuchen weitgehend ohne Messgeräte auszukommen.

Fehler-Symptome

Wir betrachten verschiedene Fehler:

1.
Wird die Messspitze mit dem Finger berührt, leuchten alle LED.
2.
Die grüne LED leuchtet bei Low am Eingang nur schwach.

Wird Messspitze berührt, leuchten alle LED

  • Wird die Messspitze mit dem Finger berührt, leuchten alle LED: Fehler.
  • Messspitze an GND/0V: nur die grüne LED leuchtet: OK.
  • Messspitze an U+: die rote LED leuchtet, die blaue blinkt kurz: OK.
  • Offensichtlich gelangen Impulse über den Finger und Messspitze in den Logik-Tester.
  • Das müssen Störungen aus der Umgebung sein.
  • Aber eigenartigerweise treten diese Fehler nicht im Prototypen auf.
  • Es stellt sich heraus, dass die Ursache am verwendeten Netzgerät liegt.
  • Wird ein Steckernetzteil oder Tischnetzteil verwendet, leuchten alle LED bei Berührung der Messspitze.
  • Bei einem Labornetzteil oder einer Batterie leuchten sie nicht.
Attention attention

Nicht jedes Netzteil ist für Messungen geeignet

Einfache Netzteile für Geräte können hohe Spannungen - bis über 100V - gegen Erde führen. Die Spannungen sind für Menschen und die meisten Geräte ungefährlich, können aber bei Messungen Störungen hervorrufen und - viel schlimmer - bei unseren Versuchen Bauelemente beschädigen. Siehe: Stromversorgung und Netzgeräte

  • Steckernetzteile sind ungeeignet
  • Die meisten Tischnetzteile sind ungeeignet
  • Batterien sind geeignet
  • Labornetzteile sind geeignet
  • Es kann vorkommen, dass die blaue LED beim Betrieb an einem ungeeigneten Netzteil immer leuchtet.
  • Diese zeigte sich auch beim Prototypen.

Die grüne LED leuchtet schwach

Die grüne LED leuchtet bei Low am Eingang nur schwach.

  • Voraussetzung: Batterie oder Labornetzgerät
  • Wie wirkt sich die Versorgungsspannung aus?
  • Bei 3V leuchtet die grüne LED kaum wahrnehmbar.
  • Bei 5V und 9V leuchtet sie gleich schwach.
  • Ist der Widerstand R2 zu groß? Kontrolle: 10kΩ OK
  • Funktioniert Q2?
  • Basis von Q2 an GND/0V: die grüne LED leuchtet schwach.
  • Kollektor und Emitter von Q2 kurzschließen: die grüne LED leuchtet schwach.
  • Q2 ist nicht die Ursache.
  • Ist Spannung der Z-Diode D1 ausreichend?
  • Spannung an der Z-Diode ist nur 2,4V.
  • Z-Diode ausgetauscht: Fehler behoben.
Attention pin

Falsche Bauelemente

Flasche oder fehlerhafte Bauelemente können bei selbst gebauten Geräten zu unerwarteten und suspekten Fehlern führen