ARL4460直读光谱仪负高压电源-100V替换实践
【前言】
直读光电光谱仪的工作原理是通过对被检测（合金）材料进行火花（或电弧）激发，被激发材料元素在高温高压下电子跃迁产生所测元素的特定谱线，该特定谱线以“光”的形式进入电子检测系统，光电传感器（光电检测器）检测到这些特定的“光”谱信号，通过PMT（光电倍增管）将“光”信号转换成电信号，送入IVFC（光强电压频率转换器）板的积分放大器，进行有效的信号放大及转换，由A/D（模拟/数字）转换器转换成特定的数字信号，最后再经过计算机系统处理获得最终的检测结果。
其关键元件PMT必须工作在的负高压状态下，才能获得光电转换信号，因此说PMT的负高压电源是直读光谱非常重要的一个部件，负高压电源的是否正常直接影响着直读光谱仪的工作状态。一旦负高压电源出现异常或故障，由于负高压电源电路复杂，维修难度较大。通常的办法是联系售后直接购买一个负高压电源（或负高压发生器印刷电路板）进行整体更换，售价在2万元左右，加上售后上门服务费，差旅费，维修费，调试费其它材料费，维修成本很高。这对于用户来说是一笔不小的维修费用。
如果负高压电源所出的故障是非致命型的，在现有的条件下采取恰当方法，就可以自行维修或找懂行的专业维修人员，对负高压电源进行有效的维修或合理的改造，同样能达到正常的工作状态，修复成本也不会高于整体更新，这样就可以大大节省维修和运行成本了。
本文通过对一台ARL4460 直读光谱仪的负高压电源（图1）进行了小小的改造，修复了出现故障的负高压电源，并获得满意的效果。在此特将此经验分享给大家，供各位参考。欢迎批评指正。（注：ARL3460的负高压电源与ARL4460 的负高压电源相同，所以此改造方法也适用于ARL3460直读光谱仪。）
图1 ARL4460 直读光谱仪负高压电源固定机构
【故障现象】
一台ARL4460 直读光谱仪放置停机一段时间未使用，重新开机启动应用软件出现报警提示（图2），由于是冷态开机真空和温度需要工作一段时间才能进入正常状态，所以真空和温度这两个报警属正常现象，在未打开负高压电源开关状态下，负高压-1000V和-100V出现报警异常提示，暂时还无法判断负高压电源是否出故障。
图2 故障报警提示信息
工作一段时间后，按F7打开工作状态检测显示，（光学室）温度恢复正常，真空报警未消除继续工作。打开负高压电源开关，显示-1000V，-100V异常接近0V（图3），由此怀疑负高压电源有可能出故障了。
图3 工作状态检测显示表
【故障检查】
首先需要打开仪器电子柜左下侧面板，可以看见负高压电源结构系统（屏蔽保护罩）（图4），然后再进一步检查负高压电源接线端电气参数。
图4 负高压电源结构系统（屏蔽保护罩）
用万用表测量负高压电源相关接线端电压（图5），先测量交流电源输入端（2，3）= 233V 正常，再测量-1000V电压输出端（4，7）及-100V电压输出端（4，9），均为≈0V。ARL4460负高压电源产生的-1000V,-100V负高压供光电倍增管之用，为了准确判断负高压是否确实出故障，将接线端（7）及（9）连接线脱开，再次测量接线端-1000V（4，7）及-100V（4，9）输出仍为0V左右，由此说明负高压电源确实已出故障。
图5 负高压电源进线接线端标识图。
该电源可以进行脱机检查测量，这给负高压电源维修操作带来了很大的便利。拉出负高压电源固定机构，取下负高压电源屏蔽保护罩（图6），进一步独立检查负高压电源。
图6 负高压电源屏蔽保护罩
该ARL4460直读光谱仪的负高压电源（老款型）是由两个部件组成，一个是220VAC/24VDC电源转换器，作为负高压供电电源，另一个是负高压发生器（印刷电路板），正常输出应为-1000V,-100V负高压。打开负高压电源屏蔽罩，负高压电源整体系统展现出来（图7），左边为220VAC/24VDC直流电源（AC/DC转换器），右面为-1000V，-100V负高压发生器。
图7 负高压整体结构实物图
【故障分析】
根据原理分析，负高压电源原理方框图如（图8）所示。负高压发生器是由直流24V电源（图9）供电，然后由负高压发生器二次升压至-1000V，-100V供PMT工作。故障也有可能发生在直流24V电源上。
图8 负高压电源原理框图
因此先检查直流24V电源（图9），测量24V输出空载24.2V正常，带负载23.8V也正常，说明直流24V电源正常。
图9 220VAC/24VDC电源转换器实体图
然后检测负高压发生器（图10）输入电压正常，输出为0V，由此确认故障在负高压发生器内。
图10 负高压发生器印刷电路板（已取下局部恒温电路的屏蔽罩）
【故障维修】
拔掉负高压发生器印刷电路板接插件，独立脱机检查电路板个元器件，当测量到-100V对地电阻接近0Ω，说明-100V有短路现象，根据负高压发生器电路分析，-100V由Q2（BSS92，场效应晶体管)控制（图11）。
图11 ARL4460直读光谱仪负高压发生器-100V控制电路（局部）
取下Q2检查发现已经击穿损坏，手里没有配件，于是在网上搜索并购得几只BSS92场效应晶体管，焊接复原Q2，本以为万事大吉了，-100V应该修复没问题了。结果通电检测-1000V恢复正常了，-100V测量发现在-130V左右波动很不稳定，调节P3也无效，同时Q2工作温度很高，没有多久-100V又为0V左右了，检查发现Q2又烧坏了，进一步检测IC2（OP400，高精度四运放）及外围电路，工作稳定未发现异常。后来连续更换几只BSS92也未解决问题，分析估计Q2热稳定性能不良导致连续烧坏BSS92，怀疑网购的BSS92质量不佳（也许是打磨的代用品）。
一时买不到质量上佳的BSS92场效应晶体管，只能另想办法了。既然-1000V很稳定，说明负高压主电路基本没有问题，-100V电路系统是相对独立的，-100V不稳定并未有影响-1000V的稳定性，那么干脆弃之Q2不用，另辟蹊径用一个-100V电源替换不稳定的外接-100V输出，从原理上讲应该完全可行的。于是重新拟定维修方案，决定对负高压电源进行一次小小的改造。
考虑到负高压发生器的供电电源是24V直流电源，-100V电源耗电也不大，所以-100V电源的供电电源也取自24V直流电源，具体改造负高压原理详见图12。
图12 负高压发生器-100V改造原理框图
【故障排除】
于是又开始在网上搜索关于-100V电源模块采购信息了。在选择-100V电源替换模块时，一定要选择技术参数富余量大一些的产品，确保其工作可靠性，以免电源模块长时间工作过热烧坏器件。功夫不负有心人，通过慎重对比选择，最后确认一款18～36V/100V的DC/DC直流电源模块（图13）。
图13 18～36V/100V的DC/DC直流电源模块
该模块体积小巧，输入/输出完全隔离，各项电气指标完全可以满足ARL4460直读光谱仪负高压电源24V/-100V电源输出的技术要求，DC/DC直流电源模块的主要特点详见图14。
图14 DC/DC直流电源模块主要特点
通过原理分析，18～36V/-100V电源模块完全可以替换负高压发生器-100V输出电路，DC/DC直流电源模块内部工作原理图详见图15。
图15 DC/DC直流电源模块内部工作原理图
通过网上购得18～36V/-100V电源模块一个，按负高压电源要求，模块输入端接至24V直流电源输出端（正负极不能接错），模块输出端（+）接负高压发生器地（GND），输出端（-）接高压发生器（-100V）输出端，在模块100V输出端外接一个3.3uF～10uF/160V～400V电解电容（图16），以提高-100V输出的稳定性。
图16 DC/DC直流电源模块电解电容实际接线图
维修是一项很细致的工作，不要出错。在焊接操作时一定要格外小心，避免损坏电源模块，附加的引线长短要适当，并用热缩管套住金属裸露焊接引线，以防碰到其他地方产生短路或严重漏电。完成焊接后，将外接的DC/DC直流电源模块用胶水固定在负高压电源发生器印刷电路板旁边（图17）。
图17 DC/DC直流电源模块固定布局实体图
暂时不接-1000V，-100V接线端输出负载（PMT电阻网络衰减器），在-1000V，-100V输出端各接一假负载通电测量-1000V及-100V电压正常，连续工作5个小时，电压稳定，温升正常，未发现异常。去掉假负载，恢复-1000V，-100V接线端负载连接线，将负高压电源装回机柜，按直读光谱仪正式操作程序打开仪器，工作一段时间后，检查仪器工作状态显示-1000V，-100V恢复正常（图18），负高压报警提示消除了。就此-100V电源输出替换成功，直读光谱仪负高压电源故障排除。
18 修复后的工作状态检测显示表
【小结】
该修复的ARL4460直读光谱仪经过三年的运转，-1000V，-100V负高压电源一直工作稳定，运行良好，到目前为止再未出现过负高压电源报警事件。由此可见，通过此直读光谱仪负高压电源-100V替换实践，说明用国产优质的电源模块在功能上替换进口高品质负高压电源是完全可行的。我曾经用替换法成功改造过不少仪器的一些功能部件，工作都很正常，有些已运行十几年仍在正常工作。
随着我国科技水平和生产能力的不断提高和突破，国产电子器件的质量和品质也在不断的提升和完善，因此也不要过分迷信进口器件，只要选择质量可靠，品质优良，价格合理的国产器件完全可以替换进口器件。并可为用户节约一笔不少的维修开支。
其它直读光谱仪负高压电源维修也可借鉴此维修方案。如果你的光谱仪负高压电源，因故损坏而确实无法维修或修复，用原厂提供的原配负高压电源又太贵，可以考虑用国产负高压电源替换。
2019.8.20
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