電容壞了。鋁電解電容導致顯示器電源出現故障,發生故障的電容使Paul Rako的空調停機。全都是電容!現在則是兩個燒毀的電容及齊納二極體如何搞壞HP 34401A 6½數位萬用錶(DMM)的故事。

這是我1992年買的一個萬用錶,中間我把它拿到校準實驗室檢查了幾次。10月我參觀紐約州羅徹斯特(Rochester)的Transcat時也帶了它,在Transcat期間,我注意到它的AC電壓讀數相差很遠,在10VRMS輸入時讀數為8.5VRMS。DC電壓讀數則完全符合HP的規格。這是什麼狀況?

我把它拿到辦公室,供電啟動它,然後發現了一些奇怪的現象。測交流電時,萬用錶明明通過了初始自檢,卻根本不顯示任何讀數,看起來好像沒有訊號進來一樣。我為它提供的是4VP-P正弦波,應該產生1.414VRMS讀數。 為了驗證訊號源是否正確,我將其連接到一個True RMS掌上型電錶,讀數為1.410 V(圖1),十分接近1.414。

20200121TA61P1-1 圖1 正如所預期的,輸入4VP-P正弦波時,掌上型DMM的讀數為1.410VRMS。

即便還沒打開萬用錶外殼,我都知道裡面出現了嚴重問題,因為我聞到了電子產品燒焦的熟悉氣味,必須找出故障在哪兒。幸運的是,我手上還保留著1992年的原始維修手冊,雖然現在從Keysight仍然能夠獲得這本手冊,但這麼多年了,還是有可能已更換一些零件。

34401A由幾個螺釘固定起來,使用六星螺絲刀可將其轉開。我的螺絲刀太大了,但我找到了一個大小合適的內六角扳手來打開萬用錶外殼。我所看到的證實了鼻子聞到的,裡面的確有東西燒了(圖2)。

20200121TA61P2 圖2 不僅電容燒了,電容上方的元件也燒了。

看看圖2,有沒有聞到元件燒焦的氣味?

此刻我必須判定是什麼零件燒掉了,這就是服務手冊的作用了。圖3顯示了電路板佈局,以及電容C322(22µF,20 V)和齊納二極體CR305(3.3 V)。

20200121TA61P1 圖3 從電路板佈局圖來確定是什麼元件損壞了。

圖4包含燒毀的元件。C322和CR305將18V電源降至15V,從而驅動類比電路進行AC測量。

20200121TA61P4 圖4 C322和CR305向類比電路提供兩個15V電源中的一個,此處顯示為15A,負電源的元件未損壞。

然後,我訂購了5個電容和3個齊納二極體,第二天就到了(免運費)。幸好我還訂了多餘的元件,圖5所示為類比電路原理圖的第一級,由圖4中的原理圖符號15A供電。

20200121TA61P5 圖5 第一級交流測量電路由標注出來的15A線路供電。

線路15A還連接到DG411類比開關U304D(圖6),這個開關則連到一個移位暫存器(圖中未顯示)。

20200121TA61P6 圖6 由線路15A提供的15V電壓為RMS轉換器電路供電。

除了零件,我還買了一個可以戴在頭上的放大鏡,這樣我就可以看到一些小毛病了。現在準備更換燒毀的元件。首先在我的烙鐵上裝一個小烙鐵頭,有朋友建議我使用厚度為0.020英吋的焊料,如果沒有就用我的0.031英吋的焊料,扯下一塊就行。這樣做會拉伸焊料,使直徑變薄,有助於焊料的使用。

在圖7中,新電容和齊納二極體已安裝到位。但在焊接電容的正極時,對連接前面板和主機板的帶狀電纜造成了一些表面的損壞。

20200121TA61P7 圖7 新電容和齊納二極體裝好了,現在可以試一試了。

還有問題

現在打開萬用錶,交流電壓測量基本工作正常。

輸入4VP-P時,萬用表讀數為1.4106 VAC。還不錯吧?但是,當峰峰值輸入電壓降至約2V時,萬用表的讀數基本上降到了0V,即使輸入訊號幅度增加也不會恢復。現在要得到正確的讀數,唯一的方法是增加輸入訊號並重啟萬用錶,因此我發現了另一個問題:第二個燒毀的電容和齊納二極體,C311和CR306(圖8)。

20200121TA61P8 圖8 另一對燒毀的元件引起了測量問題。

這對元件從+18 V電源產生了另一個+15 V(原理圖上的15B),這就是為什麼原理圖中也標出了15B。幸運的是,我買了3個3.3V的齊納二極體。你知道,我需要兩個來替換燒毀的CR305,因為有一個掉到地板上找不到了。現在三個齊納二極體只剩下一個,我不能承受再失去它的風險。電容倒是還有4個,而且它們更大,也更易於操作。

C311負極的焊盤被完全燒掉,這讓事情更糟,因為這樣就不能在元件上焊接了。原理圖(圖4)顯示鉭電容的負極側接地,因此在將正極側焊接到電路板之前,必須找到附近的接地並將導線焊接到電容上。幸運的是,正極有足夠的焊盤可以焊接這個元件,在焊接完導線的另一端後我就焊接了它。

在我買放大鏡時還心血來潮買了一個「幫手」,那上面有彈簧夾。我用它來固定導線,以便將其焊接到電容上。圖9顯示C311和CR306已經換好,並且有一根導線連接到地。

20200121TA61P9 圖9 需要用一根電線將新電容接地,因為電容負極沒有焊盤了。

萬用錶加電後,一直到400mVP-P輸入(接近0.1414VAC rms),都能給出良好的讀數。圖10顯示了4VP-P輸入的結果。

20200121TA61P10 圖10 更換第二對元件後,萬用表輸入4VP-P可得到合理的讀數。標稱讀數為1.4142VAC rms。萬用表修好了。

我遇到的這種故障元件並不少見。如果在YouTube上搜索HP 34401A,就會發現講解更換這種元件的一些視訊。其中有一個視訊是用錯誤程式碼來判定CR305的問題,當故障不可見時這很有用,雖然你仍然可以通過檢查±15V電源來找到故障。

這個修復的萬用錶是早期的34401A型號,甚至還可能是試產版。我在網上看到的視訊顯示主機板上方有遮罩層,但是我的這個萬用錶卻沒有。查看版本代號,可以看到Rev. 03-01-01,其中「 03」是測量處理器的版本代號,第一個「01」用於輸入輸出處理器,右側的「01」表示前面板處理器的版本。

這個故障原因似乎是至少有一個電容失效了。10月我將萬用錶帶到校準實驗室之前,沒有先檢查萬用錶是不是正常。這是一個教訓:在將設備帶到實驗室之前,應先瞭解設備的功能。路途中會不會引起ESD?由於故障元件位於電源電路較深的位置,這似乎不太可能。

現在,真的可以把HP 34401A拿到校準實驗室去了。PCB燒焦的氣味仍然留在空中。

(參考原文: Repair: HP 34401A capacitor failure,by Martin Rowe,EDN China Jenny Liao編譯)

本文原刊登於EDN China