Przyczyny uszkodzenia triaków Opis działania i naprawy modułu trójfazowego Ariston Kody błędów pralek
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:
· przekroczenie dopuszczalnego napięcia
· przekroczenie maksymalnej dopuszczalnej wartości prądu - zniszczenie cieplne spowodowane przekroczeniem tzw. całki Joule'a
· obie jednocześnie
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 prezciwnie 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 zabezpieczyć triak przed uszkodzeniem należy ograniczyć prędkość narastania prądu oraz jego wartość w chwili wyłączenia aby zmniejszyć powstającą szpilkę napięcia. 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. Narzuca
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.
Należy jednak zdać sobie sprawę z tego, że sam bezpiecznik, choć dość drogi i zajmujący sporo miejsca na płytce drukowanej to nie wszystko
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.
Sterowanie triakiem ze względu na minimalizację kosztów produkcji odbywa się zawsze bez izolacji pomiędzy procesorem a siecią zasilającą odbywa się bezpośrednio z procesora, wyłacznie poprzez rezystor ograniczający prąd bramki triaka, czasem stosowane są bufory w postaci tranzystorów dyskretnych lub Darlingtonów. 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. Dopóki triak jest sprawny, układ taki nie powoduje żadnego zagrożenia dla procesora. Problem pojawi się w dwóch sytuacjach:
· zwarcie obciążenia do bramki triaka
· przebicie triaka w taki sposób, że dojdzie do pojawienia się napięcia sieciowego na bramce
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
Fotografie przedstawia opisywane uszkodzenie. Po lewej moduł pralki Bosch, po prawej moduł pralki Indesit / Ariston.
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.
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 sterujące.
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 jednak zawsze jest możliwa. Tym niemniej jeśli wystąpiło w sprzęcie zwarcie to i tak konieczne jest usunięcie przyczyny zwarcia.
Sprzęt produkowany małoseryjnie w takie zabezpieczenia jest wyposażony, co czyni elektronikę zawsze naprawialną.
Literatura: http://www.elportal.pl/pdf/k01/63_102.pdf
Szaszkin