Termowizja w diagnostyce elektroniki: jak znaleźć gorący punkt, zanim zrobi to klient

Temperatura to jeden z najbardziej użytecznych wskaźników stanu układu elektronicznego. Element, który grzeje się bardziej, niż powinien, sygnalizuje błąd w projekcie, wadę montażu albo zbliżającą się awarię. Kamera termowizyjna pozwala zobaczyć rozkład temperatury na całej płytce jednocześnie i bezdotykowo, bez wpływu na działanie układu.

Co można wykryć

• Zwarcia i uszkodzone elementy: zwarty kondensator lub uszkodzony tranzystor nagrzewa się po podaniu na płytkę zasilania z ograniczeniem prądu i od razu widać go na obrazie.
• Przeciążone ścieżki i przelotki: zbyt wąskie połączenia w obwodach mocy nagrzewają się wyraźnie bardziej niż reszta płytki.
• Wadliwe połączenia lutowane: połączenie o podwyższonej rezystancji staje się pod obciążeniem lokalnym źródłem ciepła.
• Problemy z odprowadzaniem ciepła: elementy mocy bez wystarczającej powierzchni miedzi lub przelotek termicznych.
• Wpływ ciepła na pomiar: gradient temperatury wokół precyzyjnego toru analogowego, referencji napięcia albo czujnika temperatury, który mierzy temperaturę własnego urządzenia zamiast otoczenia.

Pułapka: emisyjność

Kamera nie mierzy temperatury, tylko promieniowanie podczerwone. Jego natężenie zależy od temperatury i od emisyjności powierzchni. Matowa maska lutownicza i obudowy z tworzyw sztucznych mają wysoką emisyjność, rzędu 0,9 lub więcej. Błyszczące metale, np. cynowane pola, złocenia czy nieanodowane aluminiowe radiatory, mają ją bardzo niską (radiatory anodowane mają emisyjność wysoką). Do tego odbijają promieniowanie otoczenia, w tym promieniowanie cieplne osoby trzymającej kamerę.

W praktyce oznacza to, że lśniący element może na obrazie wyglądać na zimny, choć jest gorący. Sposoby radzenia sobie z tym:

• naklejenie na powierzchnię metalową kawałka taśmy o znanej emisyjności albo pokrycie jej matowym lakierem;
• ustawienie emisyjności w kamerze dla mierzonego materiału i porównanie odczytu z termoparą w kilku punktach;
• pomiar pod kątem ograniczającym odbicia promieniowania otoczenia.

Rozdzielczość i odległość

Każdy piksel kamery obejmuje określony obszar obiektu. Jeśli element jest mniejszy niż kilka pikseli, kamera uśredni jego temperaturę z otoczeniem i zaniży wynik. Przy diagnostyce małych elementów SMD potrzebna jest więc odpowiednia odległość, obiektyw makro albo kamera o większej rozdzielczości. Producenci podają w tym celu chwilowe pole widzenia piksela (IFOV) lub wymiar najmniejszego mierzalnego obiektu.

Termowizja w procesie projektowym

1. Uruchomienie prototypu: pierwsze włączenie z ograniczeniem prądu i z kamerą skierowaną na płytkę. Zwarcie widać, zanim coś się spali.
2. Weryfikacja projektu termicznego: porównanie z obliczeniami lub symulacją w docelowej obudowie, po ustaleniu się temperatur.
3. Testy w najtrudniejszych warunkach: maksymalne obciążenie, najwyższa temperatura otoczenia, słońce na obudowie urządzenia terenowego.
4. Diagnostyka urządzeń reklamowanych: porównanie obrazu płytki sprawnej i uszkodzonej szybko wskazuje różnicę.

• PCB
• metrologia
• prototypy