電子電路故障原因與檢測技術(shù)

李 博

（國網(wǎng)河北省電力有限公司南皮縣供電分公司，河北 滄州 061500）

0 引 言

電子電路廣泛應(yīng)用于通信、能源、制造等領(lǐng)域，推動了我國科技的創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。但電子電路容易發(fā)生故障，導(dǎo)致設(shè)備損壞、生產(chǎn)中斷甚至嚴重的生產(chǎn)安全事故，因此及時對電子電路進行故障檢測至關(guān)重要。及時、準確的故障檢測可以及早發(fā)現(xiàn)潛在的故障問題，降低事故發(fā)生率，確保設(shè)備穩(wěn)定運行，提高設(shè)備生產(chǎn)效率，降低維修成本，保障人身和財產(chǎn)安全。

1 電子電路故障原因

1.1 元器件故障

元器件是組成電子電路系統(tǒng)的關(guān)鍵，但也可能成為電路故障的源頭。一方面，元器件會由于老化、電路過載等出現(xiàn)故障，干擾電路的正常運行。例如，電阻器會因長時間高負荷工作而失去電阻值，影響電路的性能[1]。晶體管在高壓條件下可能發(fā)生擊穿，導(dǎo)致電路損壞。此外，元器件之間接觸不良、引腳連接不穩(wěn)定等問題，也會導(dǎo)致電路故障。另一方面，元器件的質(zhì)量問題，如制造缺陷或材料質(zhì)量不符合設(shè)計要求等也可能引發(fā)電路故障。因此，在電子系統(tǒng)的設(shè)計、制造和維護過程中，要選擇高品質(zhì)的元器件、實施合理的熱管理、進行負載控制以及定期的檢測和維修。

1.2 人為因素

無論是在電路設(shè)計初期，還是在制造、操作、維護等環(huán)節(jié)，人為因素都有可能成為電子電路發(fā)生故障的潛在風險。人為因素的作用范圍廣，主要表現(xiàn)為設(shè)計師選擇錯誤的元器件或連接方式、制造工人的疏忽或操作者操作失誤、維護保養(yǎng)過程中存在誤操作等。這些人為產(chǎn)生的錯誤不僅存在于技術(shù)層面，還可能涉及操作員的技能培訓不足和操作意識的問題。雖然這些錯誤在產(chǎn)生初期可能不會立即導(dǎo)致電子電路故障，但是長期的累積會對電子電路產(chǎn)生負面影響。

1.3 電路接觸不良

在電子電路系統(tǒng)中，元器件之間的連接是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)[2]。但連接插頭松動、焊接質(zhì)量不佳或元器件氧化（見圖1）等問題會造成元器件接觸不良，干擾電流傳輸、信號傳遞或?qū)е码娐分袛唷＿@些微小的問題難以在外表上察覺，但能引發(fā)整個電子電路的功能紊亂。當電子電路系統(tǒng)在振動或溫度變化較大等環(huán)境影響下運行時，電路接觸不良的問題會愈發(fā)明顯，可能會給電路造成不可預(yù)測的故障問題。

圖1 元器件氧化

1.4 干擾故障

電子電路系統(tǒng)中存在電磁輻射、電磁感應(yīng)和靜電放電等多種干擾，會破壞信號傳遞的完整性和元器件的正常工作，影響整個電路的性能。這種情況在高頻電路或噪聲敏感環(huán)境下尤為明顯，會削弱電路性能，甚至引發(fā)嚴重故障。為避免干擾引發(fā)的電子電路故障問題，相關(guān)工作人員從設(shè)計階段開始就要采取相應(yīng)的屏蔽和布局優(yōu)化等策略，以降低外部干擾對電路的影響，保障電子電路系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

2 電子電路故障檢測方法

2.1 直接觀察法

直接觀察法是基本的電子電路故障檢測方法之一，即通過實時觀察電路的工作狀態(tài)和信號波形來判斷電路是否存在故障。實際操作時可以借助示波器（見圖2）等儀器，監(jiān)測電路中的電壓、電流、信號波形等。對于放大電路，可以觀察輸出信號的波形是否與預(yù)期相符、是否存在失真現(xiàn)象，并對測得的參數(shù)進行分析，如計算信號的頻率響應(yīng)、增益等。對于數(shù)字電路，可以通過邏輯分析儀監(jiān)測信號的高低電平、脈沖寬度。檢測過程中，要根據(jù)電路的特性設(shè)定參考參數(shù)，并與實際觀察結(jié)果進行比較，找出異常[3]。

圖2 示波器

直接觀察法具備快速性和直觀性等優(yōu)勢，能夠快速定位問題，尤其適用于初步排查簡單的電路。但該方法不適用于對復(fù)雜電路或微小信號的觀察，易受觀察者主觀因素的影響。

2.2 參數(shù)測試法

參數(shù)測試法的核心原理是通過測量電路中各元件的參數(shù)數(shù)值，并與預(yù)設(shè)的標準數(shù)值進行對比，從而判定電路是否存在故障。電子元件（如電阻、電容、晶體管等）正常工作狀態(tài)下的參數(shù)值會有一定的取值范圍。以電阻為例，在標準工作條件下，10 kΩ電阻的阻值范圍為9.8～10.2 kΩ。如果在實際測試中測得電路中10 kΩ電阻阻值為8.5 kΩ，且電阻周圍溫度超過正常范圍，可初步判定該元器件存在問題。如果1個標稱容量為100 μF的電容的容值在95～105 μF，測得電路中的容值為80 μF，就可初步斷定該電容可能存在問題。NPN型晶體管的基極-發(fā)射極的電壓閾值范圍通常為0.6～0.7 V，如果測得的晶體管電壓閾值遠低于該范圍，如0.3 V，表明該晶體管可能受到損害或存在質(zhì)量問題。

在進行實際的參數(shù)測試時，要確保測量設(shè)備和參考模型的準確性。由于不同元件的參數(shù)范圍存在差異，需要針對不同類型的元件建立相應(yīng)的標準參數(shù)范圍，以便進行參數(shù)比對判斷。

2.3 信號追蹤法

當電子電路發(fā)生故障時，信號往往會在故障點附近受阻、偏移或中斷，導(dǎo)致信號路徑發(fā)生異常。信號追蹤法通過在電路中注入測試信號，可以觀察信號在不同元件之間的流動情況，從而推測出故障位置。以一個放大電路故障為例，正常情況下輸入信號經(jīng)過放大器后會增強，并傳遞到輸出端[4]。如果放大電路中某個放大器出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致信號無法得到適當放大或信號無法通過該放大器。通過注入測試信號并逐步追蹤信號路徑，可以確定信號出現(xiàn)問題的階段，從而鎖定故障位置。

信號追蹤法的關(guān)鍵是選擇合適的測試信號和監(jiān)測儀器，常見的測試信號有正弦波、脈沖信號等，能幫助工程師觀察信號的變化和流動情況；監(jiān)測儀器如示波器、頻譜分析儀等，可以可視化地觀察信號的變化情況，以判定故障所在位置。

2.4 整機比較法

整機比較法是以正常工作的電子設(shè)備為基準，將待測試設(shè)備與正常工作的電子設(shè)備進行逐一比較，觀察兩者之間的差異，從而定位故障位置。例如，測試一個音響系統(tǒng)是否存在故障時，首先將一個正常工作的音響系統(tǒng)作為樣本，包括放大器、揚聲器等組件；其次使待測試音響系統(tǒng)與樣本播放相同的音頻，監(jiān)測兩者的輸出效果；最后對二者進行比較，若待測試音響系統(tǒng)輸出的音頻質(zhì)量明顯差于樣本，則可以初步判斷其存在故障，并進行進一步的檢查和比較。

整機比較法的關(guān)鍵在于要保證樣本能正常工作，且與待測試設(shè)備在結(jié)構(gòu)和功能完全相同。無論是在生產(chǎn)線上進行設(shè)備質(zhì)量檢測，還是在設(shè)備運行中進行故障排除，整機比較法都是一種快速有效的檢測手段。該方法不僅適用于數(shù)字電路，也適用于模擬電路，可以用于較為復(fù)雜的混合信號電路，且能發(fā)現(xiàn)一些不容易被傳統(tǒng)手段察覺的隱蔽性故障，確保設(shè)備可靠運行。

2.5 替換法

替換法是把疑似存在問題的元件按排列的先后順序，逐個替換成相同規(guī)格或型號的能正常運行的元器件，并實時觀察替換后電路的變化情況，以此來判斷故障所在位置。首先，根據(jù)故障的性質(zhì)和可能出現(xiàn)問題的元器件，選定一組最可能引起故障的元件，并用相同規(guī)格或型號的元件進行替換[5]。替換元件時，要確保替換元件與原元件在電性能、參數(shù)和連接方式等方面保持一致。其次，測試替換元件后的電路，觀察故障是否消失，如果故障現(xiàn)象消失或故障位置改變，表明被替換的元件可能是故障點之一。最后，判斷故障發(fā)生原因。如果替換后的元件并未消除故障，可以排除被替換元件是故障源的可能性；如果故障現(xiàn)象消失，可以初步確定被替換的元件與故障相關(guān)。

2.6 電容器旁路法

采用電容器旁路法，首先要將已知工作正常的電容器與待測電容器的兩端并聯(lián)，構(gòu)成一個并聯(lián)電容器組合。其次將一個信號源（通常是脈沖信號或正弦信號）連接到并聯(lián)電容器組合上，通過測量電路的電壓響應(yīng)或相位差，得到電路的頻率響應(yīng)特性。該頻率響應(yīng)特性包含待測電容器和已知電容器的共同影響；最后判斷電容器是否存在故障，若待測電容器的頻率響應(yīng)特性與已知工作正常的電容器的特性存在較大差異，則表明待測電容器存在故障。電容器故障類型有開路、短路、極性反向等。在電容器旁路法中，這些故障會表現(xiàn)在頻率響應(yīng)特性中。例如，當待測電容器存在開路故障時，由于電容器無法存儲電荷，電容器的頻率響應(yīng)會在某個截止頻率處驟降；發(fā)生短路故障時，待測電容器的頻率響應(yīng)會在截止頻率處驟升。通過對比已知正常工作的電容器與待測電容器的頻率響應(yīng)特性，維修人員可以快速判斷待測電容器是否存在故障并確定故障類型。

2.7 基于小波分析和馬氏距離的模擬電路故障診斷

小波變換（Wavelet Transform，WT）能將信號分解成不同尺度的子信號，更好地呈現(xiàn)信號的時頻特征。馬氏距離（Mahalanobis Distance）是一種有效的相似性度量方法，可以實現(xiàn)更精確的故障分析。馬氏距離考慮了各特征之間的相關(guān)性，能更準確地反映不同信號之間的差異。基于小波分析與馬氏距離的電路故障檢測技術(shù)，通過監(jiān)測電路工作狀態(tài)，可以捕捉電路潛在的故障特征。該故障檢測技術(shù)通過比較電路輸出信號與預(yù)期的正常工作狀態(tài)，利用小波分析提取出子信號的馬氏距離來衡量信號間的差異。如果馬氏距離超出預(yù)先設(shè)定的閾值，意味著電路可能存在故障。這種模擬電路故障診斷的檢測技術(shù)不僅能檢測出電路存在的故障，還能發(fā)現(xiàn)一些電路潛在的問題，為電子設(shè)備提供更為可靠的監(jiān)測與維護。

3 結(jié) 論

電子電路作為現(xiàn)代科技的核心組成部分，對各行業(yè)的正常工作和發(fā)展不可或缺，因此要及時解決電子電路故障問題。隨著科技的進步，電子電路故障檢測技術(shù)持續(xù)發(fā)展。通過分析研究電子電路故障原因和故障檢測方法，能有效提升電子設(shè)備運行的可靠性，為科技進步提供有力支撐。