Pytanie:
W jednym z moich urządzeń zmieniłem jeden z podzespołów na nowszy i lepszy model o niższym poborze prądu. Wszystko przestało działać, a nowy element nawet „spalił się”. Jak to wytłumaczyć?
Odpowiedź:
Stabilizatory liniowe są stosunkowo prostymi układami, które nie sprawiają wielu trudności. Jednak czasem i one mogą spowodować problemy.
Jako inżynier aplikacyjny jestem dość często proszony przez klientów o zastąpienie pojedynczego układu innym modelem innego producenta. W wielu takich przypadkach decyzja o zamianie jest podejmowana przez dział produkcji lub zaopatrzenia, a projektant oryginalnego systemu może nie być świadomy tej zmiany. Proces decyzyjny jest dość prosty – zamienna część powinna mieć taką samą funkcjonalność, obudowę i rozkład pinów, a także takie same lub lepsze parametry elektryczne w porównaniu do oryginału. Jeśli wszystkie te warunki są spełnione, dostarczasz odpowiednie dane porównawcze do osoby odpowiedzialnej za wybór układów i nowy model jest dodawany do listy materiałowej jako ewentualna alternatywa. W tym momencie proces powinien być zakończony. Jednak może okazać się, że produkt działający poprawnie ze starszym komponentem w alternatywnej działa niepoprawnie już na etapie produkcji. Co mogło pójść nie tak?
Brałem udział w procesie wyboru alternatywnego podzespołu, którego przebieg wyglądał tak, jak powyżej. Jeden z naszych izolowanych transceiverów RS-485 stanowił w projekcie klienta alternatywne źródło dla układu innego dostawcy. Układy były kompatybilne pod względem wymiarów i funkcjonalności, natomiast zaproponowany przez nas model miał lepsze parametry elektryczne. Klient od razu zamówił od nas dużą liczbę tych układów i nikt nie spodziewał się żadnych trudności. Jednak klient zgłosił problem – nowe transceivery RS-485 nie przechodziły testów na etapie produkcji. Ponieważ poza tym nic nie zostało zmienione w projekcie, przyczyna musiała tkwić w nowych układach.
Po dalszych badaniach udało nam się ustalić, że stabilizator liniowy obsługujący napięcie zasilania trans- ceivera nie dostarczał oczekiwanych 5 V, a napięcie było znacznie wyższe. Musieliśmy dokładnie przejrzeć i porównać karty katalogowe obu transceiverów, jak też przeanalizować parametry zasilacza liniowego, aby znaleźć przyczynę błędu.
„Lepszy” jest określeniem jakościowym i zależy od danego parametru. Na przykład, jeśli chodzi o szybkość/CMRR/PSRR, większa wartość jest lepsza, natomiast w przypadku napięcia niezrównoważenia i jego poziomu zmian – niższa wartość jest lepsza. Nie potrzebujesz doskonałej wiedzy inżynierskiej, aby stwierdzić, że niższe zużycie energii zawsze będzie lepsze. Czy jednak na pewno? W tym konkretnym przypadku okazało się, że wcale tak nie jest. Starszy transceiver pobierał prąd ok. 15 mA (typowo) z linii zasilania w czasie spoczynku. Natomiast nowy – tylko 2 mA (maksymalnie). Oczywiście na papierze ten drugi wyglądał lepiej.. Niestety, liniowy stabilizator nie wydawał się z tym zgodzić i oszalał.
Jak wspomniałem wcześniej, stabilizatory liniowe są dość prostymi układami, które nie mają zbyt wielu wymagań. Jednak jednym z nich jest minimalny prąd obciążenia potrzebny do poprawnej pracy. Jeżeli ten warunek nie jest spełniony, stabilizator przestaje działać poprawnie, a napięcie wyjściowe przestaje mieścić się w zadanym zakresie. Ten stan może się dodatkowo pogorszyć, jeżeli napięcie wejściowe stabilizatora jest znacznie wyższe od oczekiwanego napięcia wyjściowego. W tym znakomitym artykule znajduje się więcej informacji na ten temat.
Wiele nowoczesnych stabilizatorów liniowych zmusza do zachowania szczególnej ostrożności przy ich aplikacji, żeby nie stwarzać powyższych problemów. Niektóre starsze modele (takie jak w projekcie klienta) wymagają, albo też nie wymagają dodatkowych środków ostrożności. W niektórych przypadkach rezystorowe sprzężenie zwrotne (w regulowanych LDO) dba o minimalny prąd obciążenia. Niestety i w takim przypadku można przypadkowo natknąć się na omawiany problem. Zbyt duża wartość rezystorów, mimo zachowania wzajemnego stosunku w sprzężeniu napięcia wyjściowego, nie zaspokoi wymaganego minimalnego prądu obciążenia. Kolejny scenariusz to taki przypadek, w którym urządzenie zasilane spełnia wymagania obciążeniowe LDO podczas normalnej pracy, ale nie w stanie tzw. czuwania już nie. Są to wszystkie potencjalne pułapki, na które należy zwrócić uwagę. Dlatego należy uważnie przeczytać notę techniczną układów LDO. Szczególnie jeśli wymagany jest minimalny prąd obciążenia – zwykle tak bywa.
Rysunek 1. Minimalny prąd obciążenia podany w przykładowej karcie katalogowej
Rysunek 2. Po lewej – stabilizator pracujący poprawnie ze starszym modelem (spełniony warunek na minimalny prąd obciążenia). Po prawej – niepoprawnie pracujący stabilizator z nowym modelem (zbyt niski prąd obciążenia)
Jak zakończyła się ta historia? Gdy pierwotna przyczyna została zdiagnozowana, łatwo było naprawić problem. Wszystko, co musieliśmy zrobić, to dodać rezystor na wyjściu stabilizatora, który wymuszał stały przepływ minimalnego prądu obciążenia. Nieświadomy klient mógłby uznać to za wadę projektową powstałą z naszej winy, jednak ten konkretny klient zrozumiał ten zabawny paradoks i docenił naukę oraz techniczne doświadczenie, jakie wynikło z tej historii. Wszystko dobrze się skończyło.
Rysunek 3. Problem udało się rozwiązać, dodając rezystor wymuszający przepływ minimalnego wymaganego prądu obciążenia
