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      選擇合適的過流限制晶體管降低設備電源故障率

      • 2022-8-2 9:27:53
      • 21ic電子網
      • watermeter

      有一天,我的老板告訴我,我們的一臺 5 kW DC 到三相 AC 逆變器的服務電話太多,并讓我看看我能做些什么來降低故障率。

      有問題的逆變器用于為空氣制動壓縮機供電。它大約有兩個大微波爐粘在一起的大小??諝鈮嚎s機對于使用空氣制動系統的地鐵車廂的正常運行至關重要 [1]。在這個系統中,氣壓被用來控制火車上所有車廂的剎車。當壓縮機逆變器發生故障時,壓縮機無法將空氣泵入制動儲氣罐,整個列車必須停止使用進行維修。

      逆變器被送回我們工廠進行維修。一種故障模式脫穎而出,占所有維修的 16%。故障最多的部分是一個小信號晶體管——逆變器故障報警電路的一部分。該電路驅動火車線路并點亮駕駛員狀態面板上的空氣壓縮機故障燈。

      火車線路是一條通往一列火車中所有車廂的線路。有控制列車線路和報警列車線路。故障列車線點亮了列車所有車廂駕駛室中的白熾燈(車廂設計來自 1990 年代中期)。在火車上總共有六盞燈連接到那條線上。

      我回到車間,向技術人員詢問故障零件。他們告訴我,故障部件在維修后被丟棄。我能接觸到的只有原理圖。

      我分析了電路。一個隔離的集電極開路信號驅動 Q1 的基極,一個 10 kΩ 的上拉電阻 R1 連接到電池電壓。晶體管 Q1 是類似于 TIP122 的 NPN 達林頓晶體管。達林頓集電極 Q1C 連接到電池電源 74 V,其發射極 Q1E 連接到電流感應電阻器 R21,700 毫歐。最后一個二極管 D1 連接到火車線路。限流晶體管 Q2B 的基極連接到 Q1E-R2 節點,Q2 的發射極連接到 R2-D1 陽極。晶體管 Q2 的集電極連接到 Q1 的基極。這是一個標準的電流限制器電路 [2] [3]。最失敗的晶體管是 Q2,它與 MPSA42 相似。

      白熾燈具有顯著的開啟浪涌電流。熱絲電阻和冷絲電阻之間的比率在 12:1 和 18:1 之間變化 [4]。該限流電路可保護晶體管 Q1 免受短路和燈開啟電流過載的影響。

      問題是:是什么導致 Q2 失敗?

      可能是因為集電極到發射極的電壓太高了嗎?不,Q2 的集電極連接到 Q1 的基極,Q1 的發射極連接到 R2 的底部。最大 Vce 是 Vbe 的三倍,或約 2.1 V。晶體管 Q2 的最大 Vceo 為 300 V。同樣的推理適用于只有兩個 Vbe 下降的 Q2 Vcbo。

      Q2 會因為集電極電流太大而失效嗎?不可以,上拉電阻結合電池電壓最多只能提供 7.4 mA,Q2 的最大持續集電極電流為 500 mA。

      Q2 會因為功耗過大而失效嗎?不,最大集電極到發射極電壓為 2.1 V,最大電流為 7.4 mA,峰值功耗小于 20 mW,Q2 的最大額定值為 625 mW。

      Q2 會因為反向電流或電壓而失效嗎?不,二極管 D1 可以防止這種情況。

      剩下的唯一故障原因是流入 Q2 的基極電流過大。制造商的規格中很少給出最大允許基極電流。我發現的一個來源是 2N3904(采用 TO-92 封裝的晶體管),峰值基極電流的最大值為 100 mA [5]。

      在這個電路中,流入 Q2 的基極電流怎么會如此之高?晶體管不會立即切換狀態。隨著 Q1 開啟并飽和,如果發生短路,Q2 開啟和 Q1 關閉需要時間。顯然,這些延遲使得 Q2 中的基極電流可能高于 100 mA 并造成永久性損壞。在 Q2 打開且 Q1 關閉之前,除了由 0.7 歐姆電阻組成的電路電阻外,沒有任何東西限制電路中的電流。增加問題的是基極-發射極電壓和基極電流之間的指數關系。Q2 中基極-發射極電壓增加 60 mV 會導致其基極電流增加 10 倍 [6]。

      我如何將基極電流限制到 Q2?解決方案很簡單:插入一個與 Q2 基極串聯的小電阻。

      這會改變電流限制設置嗎?計算表明,與 Q2 的基極串聯的 220 歐姆電阻器使限制電流值增加了 6%,這是可接受的。當 Q1 無法將集電極與發射極短路時,該電阻器還將保護 Q2。

      為了簡化維修,我選擇了一個帶有內置基極電阻的晶體管,其引腳與原來的相同。唯一的變化是零件清單和原理圖;PCB 上不需要修改。

      我通知我的老板,我會要求所有進入車間的設備都進行改造。他同意我的看法。我提出了一個要求,當一個單元返回服務時,晶體管 Q2 將被更換為新部件,無論 Q2 是否正常工作。在那之后,沒有一個修改過的單元返回一個失敗的 Q2。

      經驗教訓是: 1) 小心無限電流進入 BJT 基端;2) 額定值不是無限的,并不是因為數據表中沒有對器件能力進行限制,而且;3) 始終將故障部件放在手邊,以防需要進一步分析。

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