مقدمه
یکی از روشهای پرکاربرد در فرآیند عیبیابی بردهای الکترونیکی، تست قطعات بهصورت داخلمداری و بدون جداسازی آنها از روی برد است. این روش علاوه بر کاهش احتمال آسیب ناشی از حرارت، سرعت تشخیص ایراد را بهطور قابل توجهی افزایش میدهد.
هرچند در بسیاری از موارد، خارجکردن قطعه از برد دقت بیشتری در تست ایجاد میکند، اما با رعایت اصول و استفاده از روشهای صحیح، میتوان بسیاری از قطعات را در همان حالت نصبشده بررسی و ارزیابی کرد. در این مطلب، محور اصلی تست آیسی تقویتکننده عملیاتی LM324 است، هرچند اصول مطرحشده برای سایر Op-Ampهای مشابه نیز قابل استفاده خواهد بود.
آشنایی کلی با تقویتکننده عملیاتی
تقویتکننده عملیاتی یا Op-Amp یک آیسی (IC) پرکاربرد در مدارهای الکترونیکی است که توانایی تقویت سیگنالهای کوچک را دارد. این قطعات کاربردهای مختلفی در مدارات آنالوگ از جمله تقویت سیگنال، مقایسه ولتاژ، فیلترها و مدارهای جمعکننده و تفریقکننده استفاده میشوند و در زمره یکی از دوستداشتنیترین قطعات برای علاقهمندان به طراحی مدارات آنالوگ جای دارند. این قطعه دارای دو ورودی اصلی است: ورودی وارونهکننده، وارونگر (Inverting) و ورودی غیر وارونهکننده، ناوارونگر، مستقیم (Non-inverting) و یک خروجی.
- ورودی وارونهکننده با علامت – بر روی پایهها نمایش داده میشود.
- ورودی غیر وارونهکننده با علامت + بر روی پایهها نمایش داده میشود.
برای افرادی که قصد دارند آیسیهای Op-Amp را تست کنند، شناخت پایهها و عملکرد این ورودیها اولین قدم اساسی است. با اتصال صحیح و استفاده از چند ابزار ساده میتوان سلامت و عملکرد این آیسیها را بررسی کرد.
طرحواره پایههای آی سی مورد نظر این مطلب یعنی LM324 در شکل بالا آورده شده است. همانطور که مشاهده میکنید این آی سی تعداد چهار تقویتکنندهی عملیاتی مستقل را در خود جای داده است.
آنچه در مورد تقویتکنندههای عملیاتی برای مطلب حاضر مهم است این است که اگر ولتاژ ورودی پایهی وارونهکننده (–) بیشتر از ولتاژ ورودی پایهی غیر وارونهکننده (+) باشد، خروجی تقریباً به صفر نزدیک میشود. و اگر برعکس، ولتاژ ورودی پایهی غیر وارونهکننده (+) بیشتر از ولتاژ ورودی پایهی وارونهکننده (–) باشد، خروجی به مقداری نزدیک به Vcc میرسد. در تقویتکنندههای عملیاتی Rail-to-Rail، این مقدار خروجی تقریباً برابر با Vcc خواهد بود.
تست آیسی LM324 بهصورت داخلمداری
پس از آشنایی با اصول عملکرد تقویتکنندههای عملیاتی، در این بخش به روش تست LM324 در حالت داخلمداری میپردازیم. روند زیر بهگونهای تنظیم شده که بدون جداسازی آیسی از برد، بتوانید وضعیت سلامت آن را با دقت مناسبی ارزیابی کنید.
۱. بررسی اولیه پایهها با مولتیمتر (تست دیودی)
در اولین مرحله، پایههای آیسی نسبت به Vcc و GND با استفاده از مولتیمتر در حالت تست دیودی بررسی میشوند. هدف این مرحله اطمینان از نبودن اتصال کوتاه داخلی یا اشکال واضح در مسیرهای تغذیه آیسی است. توضیحات دقیق این تست خارج از موضوع اصلی این مطلب است، اما انجام آن پیش از ادامهی مراحل ضروری است.
۲. برقدار کردن برد و بررسی رفتار اولیه
پس از اطمینان از سلامت اتصالات پایهها، تغذیهی برد وصل میشود تا مدار در حالت عادی خود قرار گیرد.
اگر برد بدون نشانههای غیرمعمول ـ مانند داغ شدن، نویز شدید، یا افت ناگهانی ولتاژ ـ روشن شود، میتوان به مرحله بعد رفت.
۳. اندازهگیری ولتاژ پایههای تغذیه (پایههای 4 و 11)
ولتاژ پایههای تغذیهی LM324 یعنی Vcc (پایه 4) و GND (پایه 11) اندازهگیری میشود. مقدار این ولتاژ باید با مقدار مورد انتظار بر اساس طراحی مدار برابر باشد.
برای مثال، اگر مدار از یک تغذیه ۱۲ ولت استفاده میکند، پایهی Vcc نیز باید همین مقدار را نشان دهد.
در صورتی که ولتاژ اندازهگیریشده با مقدار مورد انتظار اختلاف قابل توجهی داشته باشد، احتمال وجود اتصال کوتاه در آیسی یا بخشی از مدار نزدیک آن وجود دارد.
۴. تست تکتک Op-Ampهای داخلی
LM324 شامل چهار تقویتکننده عملیاتی مستقل است. در این مرحله ولتاژ پایههای ورودی و خروجی هر بخش اندازهگیری و با اصل عملکرد Op-Amp مقایسه میشود:
- اگر ولتاژ ورودی غیر وارونهکننده (+) بیشتر از ورودی وارونهکننده (–) باشد، خروجی باید نزدیک Vcc قرار گیرد.
- اگر ولتاژ ورودی وارونهکننده (–) بیشتر از ورودی غیر وارونهکننده (+) باشد، خروجی باید نزدیک صفر ولت باشد.
هرگونه انحراف قابل توجه از این الگو ـ در حالی که ولتاژهای ورودی صحیح باشند ـ نشاندهندهی احتمال بالای خرابی در همان بخش از LM324 است.
نمونه واقعی از اندازهگیری یک LM324 معیوب
در ادامه، یک نمونه واقعی از اندازهگیری ولتاژ پایههای یک آیسی LM324 که در مدار دچار خرابی شده بود مشاهده میکنید. اندازهگیریها بر روی برد فلوتر الکترونیکی شیواامواج انجام شدهاند. که از سه آی سی موجود دو عدد از آنها معیوب بودند. مقدار ولتاژ هر پایه در حالت کار مدار اندازهگیری شده است.
با بررسی این مقادیر و مقایسهی آنها با اصل عملکرد اپامپ (یعنی مقایسهی ورودیهای مثبت و منفی)، میتوان بهخوبی متوجه شد کدام تقویتکنندهها از چهار بخش داخلی LM324 دچار اختلال شدهاند.
تحلیل ولتاژهای اندازهگیریشده
1. اپامپ اول (پایههای 1، 2 و 3)
- ورودی معکوسکننده (پایه 2): 9.15V
- ورودی غیرمعکوسکننده (پایه 3): 9.12V
- خروجی (پایه 1): 9.76V
در این بخش مقدار ورودی معکوسکننده بیشتر از غیرمعکوسکننده است.
طبق عملکرد طبیعی اپامپ باید خروجی نزدیک صفر ولت باشد، اما خروجی نزدیک Vcc قرار گرفته است.
نتیجه: اپامپ اول معیوب است.
2. اپامپ دوم (پایههای 5، 6 و 7)
- ورودی معکوسکننده (پایه 6): 9.25V
- ورودی غیرمعکوسکننده (پایه 5): 9.15V
- خروجی (پایه 7): 9.12V
در این بخش نیز ورودی معکوسکننده بیشتر است، پس خروجی باید نزدیک صفر ولت باشد.
اما خروجی نزدیک 9 ولت و تقریباً اشباع شده است.
نتیجه: اپامپ دوم نیز معیوب است.
3. اپامپ سوم (پایههای 9، 10 و 8)
- ورودی معکوسکننده (پایه 10): 9.16V
- ورودی غیرمعکوسکننده (پایه 9): 9.13V
- خروجی (پایه 8): 9.10V
در این بخش ورودی معکوسکننده کمی بیشتر است، بنابراین خروجی باید به سمت کم هدایت شود.
مقدار خروجی نیز دقیقاً در همین جهت قرار گرفته و طبیعی است.
نتیجه: اپامپ سوم سالم است.
4. اپامپ چهارم (پایههای 12، 13 و 14)
- ورودی معکوسکننده (پایه 13): 9.12V
- ورودی غیرمعکوسکننده (پایه 12): 9.16V
- خروجی (پایه 14): 9.11V
در این بخش ورودی غیرمعکوسکننده بیشتر است، پس خروجی باید نزدیک Vcc باشد.
ولتاژ خروجی نیز در همین جهت و طبیعی است.
نتیجه: اپامپ چهارم نیز سالم است.
جمعبندی نهایی
از چهار تقویتکنندهی داخلی LM324، دو عدد از آنها (بخشهای اول و دوم) بهطور واضح از عملکرد استاندارد تبعیت نمیکنند و خروجی آنها با ورودیهایشان همخوانی ندارد.
اما بخشهای سوم و چهارم کاملاً سالم عمل میکنند. این نوع خرابیهای بخشی در LM324 بسیار رایج است.
در مدار مورد مطالعه تعویض هر دو آی سی LM324 به رفع ایراد انجامید.
ویدیوی عملی: ویدیویی از مراحل اندازهگیری و تحلیل LM324 در مدار معیوب تهیه شده و پس از آمادهسازی، در کانال یوتیوب منتشر خواهد شد. این ویدیو امکان مشاهده عملکرد واقعی اپامپها و نحوه تست داخلمداری را فراهم میکند.