Die LED-Lampen geprüft – nein, die sind es nicht. Netzteil geprüft – liefert keine Spannung.
Gut, kein großer Schaden, man hat so einen LED-Treiber ja noch auf Reserve da. Aber als Elektronikentwickler ist man ja nun neugierig: Was hat das Ding? Wie ist die Elektronik konstruiert? Ich schaue mir mit Skepsis das aus fernost stammende Teil an:
Äußerlich – nichts zu sehen. Gehäuse geöffnet – Innenseite hat einen braunen Punkt.
Hier wurde also etwas sehr warm.
Schauen wir uns also einmal die gegenüberliegende Elektronik an:
Und siehe da, auch für den Laien sofort ersichtlich: Das IC hat geschmort (rot eingekreist).
Dieses IC ist das Herz des Spannungswandlers, wenn das kaputt ist, dann kann natürlich nichts mehr kommen.
Hätte etwas passieren können?
Die weitere Suche zeigt schnell, es wurde eine Schmelzsicherung verbaut (grün eingekreist). Also wenn die Elektronik irgendwo einen Kurzschluß macht, brennt diese durch. Das ist gut, und die Schmelzsicherung ist auch durchgebrannt. Sie hat ihre Arbeit getan, keine Brandgefahr.
Der Rest der Elektronik sieht gut aus, optisch keine der üblichen Verdächtigen – die Elkos haben keine „dicken Backen“ oder sind ausgelaufen, auch sonst ist nichts zu sehen.
Da es auch der erste Ausfall dieser Art nach jetzt doch schon 10 Jahren bei doch vielen verbauten Treibern ist, mache ich an der Stelle das Gehäuse wieder zu und gebe das Teil in den Elektroschrott.
Manchmal macht sich ein Problem durchaus lautstark bemerkbar.
Vor einigen Tagen erhielt ich ein Ladegerät für eine Dashcam zum „kannst Du mal reingucken“.
Der Eigentümer des Ladegerätes meinte schon, daß darin ein Teil explodiert sei – es habe einfach lautstark >PENG< gemacht, seit dem geht das Ladegerät nicht mehr und ein Teil fliegt innen lose umher.
Ok, also guckt man mal rein und findet folgendes Bild vor:
Das hat tatsächlich ordentlich geknallt – der Elko (Elektrolytkondensator) ist richtig in die Luft gegangen und hat seine Innereien im ganzen Gehäuse verteilt.
Gut zu sehen ist die Folie – dort gehört er normalerweise hin.
Was könnte die Ursache gewesen sein?
Das Gerät an sich ist wohl noch nicht sehr alt. „Normales“ Austrocknen im Laufe der Jahre scheidet also aus.
Mit 16V Spannungsfestigkeit ist der Elko auch für die 5V Ausgangsspannung normalerweise ausreichend dimensioniert – scheidet also auch aus.
Vermutung: ESR:
ESR bedeutet Equivalent Series Resistance und bezeichnet den Inennwiderstand des Kondensators. Nun würde man meinen, dieser könne egal sein, weil ja ein Kondensator nur Störungen puffern soll.
Nun handelt es sich hierbei aber um eine Art Schaltnetzteil, das bedeutet die 5V Ausgangsspannung werden durch Aufladen und Entladen einer Spule gepulst „zusammengesetzt“.
Systembedingt hat man also auf der Ausgangsseite ein sogenanntes Ripple, kleine Spannugnsspitzen. Und mit jeder Spannungsspitze gibt es im explodierten Elko eine kleinen Lade und Entladezyklus.
Hat der Elko einen hohen Innenwiderstand (ESR) und wird gleichzeitig schnell und häufig ge- und entladen, kann da viel Energie in Form von Wärme entstehen.
Dies wird wahrscheinlich hier passiert sein.
Die Reparatur
Die Reparatur an sich ging schnell. Ich hatte noch einen Elko besserer Qualtiät (low ESR) vorzuliegen.
Und da ich zudem noch vermute, daß der Ripple-Strom in dieser asiatischen Preiswertversion des Schaltreglers sehr groß sein wird, habe ich der Platine in wilder Lötung noch einen zusätzlichen SMD Kondensator gegönnt.
Vielleicht haben Sie sich schon immer mal gefragt:
Was macht ein Elektronikentwickler so den ganzen Tag?
Und warum klappt nicht immer gleich alles auf Anhieb?
So schwer kann das alles doch nicht sein, daß es immer gefühlt so lange dauert?
Mit einer sicher auch mit einem Augenzwinkern bedachten Rubrik möchte ich diese Thematik den interessierten Lesern etwas näher bringen.
Heute das Beispiel: Suchbild für die Arbeit
In dem obigen Foto hat sich ein Fehler eingeschlichen.
Natürlich nicht nur auf dem Foto – sondern genaugenommen auf der Platine, die so vom Bestücker kam und möglichst schnell zum Kunden sollte.
Dumm nur, wenn diese nicht funktioniert, wie sie soll – doch was ist falsch?
Richtig.
Von den 4 quadratischen IC’s ist das unten rechts zu sehende falsch herum bestückt worden.
Sieht man doch gleich – zumal die Leiterplatte natürlich groß ist und das IC selbst ca 4x4mm 😉
Tja und nun?
Eigentlich könnte man die Platine nun einpacken, zurückschicken und den Bestücker veranlassen, seinen Fehler zu beheben. Allerdings ist dann eine solche Platine schon allein mindestens 2 Arbeitstage im Versand unterwegs + vermutlich einen Arbeitstag der intenernen Bearbeitung.
Also was macht man?
Selbstverständlich stellt man sich hin und lötet selbst.
Erstmal muß es runter – da das IC auf der Unterseite ein Kühlpad besitzt, ist das aber nicht ganz einfach.
Mit einem Lötkolben braucht man da gar nicht erst anzufangen.
Aber mit Erfahrung, Geduld und dem richtigen Werkzeug geht das dann schon.
Nun kann endlich das neue drauf.
Aber was ist das? Das neue sieht ja etwas kleiner aus, als das kaputte.
Hm.
Also zig Seiten Datenblatt nach Hinweisen durchforstet – Aha – gut – ja ist das gleiche – kann drauf bleibem.
Blick auf die Uhr:
Irgendwer hat an der Uhr gedreht – selbstverständlich unbezahlt, denn der Bestücker wird nicht die Arbeitszeit erstatten – und der Kunde kann ja auch nichts dafür.
So ist es halt…
Weil es so schön war – gleich nochmal – nächster Tag – andere Platine:
Fehlerbild – sie macht – genau wie die erste – rein gar nichts.
Wo versteckt sich diesmal der Fehler?
Wie jetzt? Nicht zu sehen?
Na gut, zoomen wir mal rein:
Richtig – da ist es!
Das quadratische, silberne IC sitzt um ein Pad verschoben auf der Leiterplatte und verursacht daher einen Kurzschluß.
Das IC ist wohlbemerkt ca 2,5×2,5mm klein – da kann das schon passieren.
Und man kann es auch wechseln – mit dem richtigen Werkeug, viel Fingerspitzengefühl und kurz Luft anhalten.
Denn Niesen bedeutet: Bauteil weg 🙂
So, jetzt funktionieren die Prototypen.
Aber wo ist immer nur der Arbeitstag hin?…
PS:
Selbstverständlich sind die Fotos nur Ausschnitte von viel größeren Platinen und man findet solche Fehler nicht einfach mal eben schnell mit der Lupe. Dazu sind es meistens zu viele Bauteile, zu kleine Strukturen.
Ja und wie findet man diese Fehler dann?
Nun, mit Logik, Erfahrung – und ein paar Kniffe dürfen ja Geschäftsgeheimnis bleiben 😉
zwei Ladegeräte – äußerlich gleich, doch eines von beiden sollte man nur mit äußerster Vorsicht benutzen…
Äußerlich gleich, doch das Ergebnis einer Messung der Ausgangsspannung war bei einem erschreckend!
Einen 3,7V Akku ungeregelt mit über 12V laden? Das kann nicht gut sein!.
Diese Ladegeräte werden oft mit Stirnlampen und Taschenlampen mit Li-ion-Akku-Technologie ausgeliefert und sollen das Laden im PKW/LKW ermöglichen.
Doch bei einer Eingangsspannung von 13,8V liefert das Meßgerät 12,95V Ausgangsspannung – viel zu viel für eine Li-ion Zelle!
Aber warum? Vielleicht erst einmal einen kurzen Abstecher zu den Li-ion Akkus:
Was ist das Besondere an Li-ion Akkus?
Li-Ion Akkus sind moderne Akkus mit hoher Kapazität.
Allerdings sind sie aufgrund der hohen Energiedichte und Konstruktion etwas vorsichtiger zu handhaben, als andere Akkus.
Wer sich an die Schlagzeilen abgerauchter Notebooks und Smartphones erinnert, wird wissen, was ich meine.
Spannungsbereich:
Eine Li-ion-Zelle ist normalerweise mit 3,7V angegeben – was man Nennspannung nennt. Im Betrieb schwankt die Spannung des Akkus zwischen ca 3V im leeren Zustand und ca 4.2V am Ende des Ladevorganges – der sogenannten Ladeschlußspannung.
Ladung einer Li-Ion Zelle
Die Ladung eines Li-ion Akkus wird normalerweise in CC/CV Technik durchgeführt.
Das bedeutet – im leeren Zustand, wo die Akkuspannung gering ist, wird der Ladestrom konstant gehalten (begrenzt) – später wird die Spannung auf die Ladeschlußspannung begrenzt.
Beide Maßnahmen der Regelung sollen eine Überhitzung und ein Ausgasen der Zellen verhindern.
Was hätte also das Ladegerät liefern müssen?
Aufgrund der technologiebedingten Ladeschlußspannung hätte ich erwartet, daß das Ladegerät so ca 4,1..4,2V am Ausgang liefert.
Und siehe da – mein anderes, bereits vorhandenes Ladegerät trägt diesbezüglich auch einen extra Aufkleber.
4,2V und 500mA – das liest sich zumindest schonmal richtig
4,3V sind zwar mehr als die erwarteten 4,2V – aber noch immerhin innerhalb der 5% Genauigkeit des Aufklebers – also alles Chic!
Warum verhalten sich die Ladegeräte unterschiedlich?
Das unterschiedliche Verhalten der Ladegeräte machte mich nun neugierig, mal nachzusehen, was drinsteckt…
Das Ladegerät mit Regler
Das Innenleben eines Ladegerätes, wie man es erwarten würde – eine Sicherung, ein Regler und „Kleinteile“
Wenn man das Ladegerät öffnet, kommt zum Vorschein:
eine Feder
eine Schmelzsicherung
eine Platine mit IC (Laderegler)
Etwas in der Art habe ich erwartet.
Das nicht ungefährliche Ladegerät ohne Regler
Am falschen Ende gespart: Keine Sicherung, kein Regler = keine Begrenzung, keine Sicherheit!
Hier kommt zum Vorschein:
eine Feder
eine Platine mit einer LED und zwei Widerständen
KEINE Sicherung, KEIN IC zur Regelung.
Nun ist auch klar, warum da hinten fast die Eingangsspannung rauskommt. Da wird nichts geregelt, da wird keine Spannung begrenzt.
Was kann bei der Verwendung des Ladegerätes ohne Regelung passieren?
Beim Laden des Akkus wird nicht die Spannung begrenzt. Da preiswerte Stirnlampen meist auch keine Akku-Schutzschaltung enthalten, wird der Akku irgendwann überladen.
Es entstehen im Akku gesundheitsgefährdende Gase, die – sofern der Akku über ein Sicherheitsventil verfügt kontrolliert abgegeben werden.
Verfügt die Akku-Zelle selbst NIChT über ein Sicherheistsventil, können die Gase einen großen Druck aufbauen und die Zelle rgendwann platzen. In beiden Fällen werden also bei dauerhafter Ladung die Akkus geschädigt und gesundheitsgefährdende Gase abgegeben.
Sollte die KFZ Dose über die Zündung mit abgeschaltet werden, sieht das Verhalten auch nicht viel besser aus.
Währenddessen die Zündung aus ist, entslädt sich der Akku über den Widerstand zurück in die abgeschalteten Komponenten des Fahrzeugnetzes.
Da Akkus keine Abschaltung bei Tiefentladung haben, wird der Akku der Stirnlampe so weit entladen, daß er Schäden nimmt.
Was die Komponenten der Fahrzeugelektronik machen, wenn sie rückgespeist mit der Spannung aus der Taschenlampe versorgt werden, ist dann auch noch die Frage…
Kann man die Ladegeräte unterscheiden?
Jaein. Bei den mir vorliegenden Ladegeräten kann man die Version identifizieren, indem man die Kappe vom Plus-Kontakt abschraubt.
Bei dem Ladegerät mit Regelung kommt hier neben der Feder eine Sicherung zum Vorschein – außerdem trug das mir vorliegende Ladekabel einen Aufkleber mit Hinweis auf die Ausgangsspannung von 4,2V
Beim Ladegerät ohne Regelung ist die Feder länger und es fehlt die Sicherung – auch trug das Ladegerät keinen Aufkleber.
Wirklich identifizeren kann man die Ladegeräte aber nur, indem man die Ausgangsspannung mißt.
Wie kann man vermeiden, daß Gefahr besteht?
Nutzen Sie die Ladegeräte nicht dauerhaft – keinesfalls länger, als 2 Stunden
Nutzen Sie die Ladegeräte nur zum kurzen Nachladen für unterwegs – vollständiges Laden bitte mit den mitgelieferten Steckernetzteil
Lassen sie das Ladegerät in Verbindung mit dem Akku nicht bei ausgesschalter Zündung an der KFZ-Dose
Hinweis:
Der vorliegende Beitrag spiegelt die persönliche fachliche Meinung unter Ausschluß jeglicher Haftung wider.
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Vielen Dank!
Es ist hinlänglich bekannt – immer kleiner werdende Strukturen – dazu auch die Anforderungen der ROHS-Konformität stellen die Verbindungstechnik zwischen den Bauteilen und den Leiterplatten auf immer größere Herausforderungen.
Interessant ist daher in dem Zusammenhang eine Forschungsarbeit von Frank Mücklich – Professor für Funktionswerkstoffe der Universität des Saarlandes und Leiter des Steinbeis-Forschungszentrums für Werkstofftechnik (MECS) – der mit seinem Team eine potentielle Möglichkeit für die Verbindungstechnik der Zukunft erforscht hat.
Bei dieser Technik werden mehrere superdünne Schichten aus Aluminium und Ruthenium übereinander aufgebracht, die durch einen Laserstrahl „gezündet“ sich in einer Art exothermen Reaktion mechanisch und elektrisch miteinander verbinden.
Da die dabei kurzzeitig und lokal entstehenden Termperaturen in der Dimension von bis zu 2000°C liegen, dürften die Verbindungen sich stabiler verhalten, als klassische Lötverbindungen. Gleichzeitig sollten wesentlich kleinere mechanische Strukturen möglich sein, als bisher.
Wir sind daher sehr gespannt, wie sich dieser vielversprechende Ansatz weiter entwickeln wird.
Info zum originalen Artikel: Ru/Al Multilayers Integrate Maximum Energy Density and Ductility for Reactive Materials (K. Woll, A. Bergamaschi, K. Avchachov, F. Djurabekova, S. Gier, C. Pauly, P. Leibenguth, C. Wagner, K. Nordlund & F. Mücklich) => Link zum Artikel
