A complexidade interna do reparo de lentes de câmera modernas (2024)
(salvagedcircuitry.com)- Uma lente Sigma 45mm f/2.8 L-mount cuja eletrônica não respondia de forma alguma voltou a funcionar normalmente após a substituição de um fusível SMT 0603 na linha de alimentação de entrada da PCB de controle
- O sintoma inicial era uma falha elétrica: ao montar a lente na Lumix S5, a imagem ao vivo aparecia, mas nem os dials e interruptores da lente nem os dials de controle da câmera funcionavam
- A sequência de diagnóstico consistiu em verificar a continuidade do cabo flex de 10 terminais do bloco de contatos da lente, rastrear a alimentação de entrada e inspecionar o conversor DC-DC e o fusível adjacente
- O fusível queimado estava protegendo a entrada do conversor DC-DC, nenhum ponto exato de falha foi encontrado, e a condição de sobrecorrente no datasheet da TI serviu como pista para análise adicional
- O reparo inteiro terminou em menos de 1 hora, com desmontagem completa da lente e troca do fusível, mostrando como um pequeno componente de proteção de energia pode parar uma lente inteira em perfeito estado
Contexto
- Critério pessoal de compra que limita aquisições a lentes não funcionais e, em geral, só dá lances em itens por menos de 1/4 do preço de revenda usado e com pouco ou nenhum dano mecânico
- Havia interesse na construção majoritariamente em alumínio das lentes Sigma I-series produzidas recentemente, e em janeiro apareceu no eBay uma lente 45mm f/2.8 com defeito por um preço baixo
- O vendedor costumava ter estoque de equipamentos modernos de câmera com defeito e, às vezes, desmontava os equipamentos para vender as peças separadamente
Chegada
- A lente chegou bem embalada e, na inspeção inicial, o barril e os elementos frontal e traseiro da lente estavam sem riscos
- A inspeção dos elementos externos da lente foi feita removendo a poeira com ar comprimido sem óleo e depois limpando os elementos frontal e traseiro com Kimwipe e líquido de limpeza para lentes
- Para a maioria das lentes externas, até limpador de óculos de farmácia já é suficiente, e álcool isopropílico também é uma alternativa
- Não usar álcool isopropílico em lentes plásticas
- Ao montar na Lumix S5, a lente estava tão dura que parecia exigir força excessiva, mas depois de montada a câmera inicializou normalmente e exibiu a imagem ao vivo
- Os dials e interruptores da lente não respondiam à entrada do usuário, e o movimento dos dials de controle da câmera também não era registrado, levando à conclusão de que se tratava de uma falha elétrica
- A PCB de controle normalmente fica na parte traseira da lente, perto do bloco de contatos traseiro, estrutura que também permite verificar a montagem da lente, que estava muito dura
Ferramentas
- A barreira de entrada para esse reparo é baixa, e a maioria das ferramentas é equipamento padrão e genérico
- Fora a lente, o maior custo é o ar filtrado, embora um soprador de ar comprimido também possa ser usado
- Como a equipe de projeto da indústria de câmeras está concentrada no Japão, parafusos JIS são o padrão; chaves Phillips também funcionam, mas tendem a desgastar mais rápido a cabeça dos parafusos JIS
- As ferramentas usadas foram Kimwipes/toalhas sem fiapos para lente, álcool isopropílico em spray, limpador de óculos, pano de microfibra, luvas de nitrilo, ar de bancada de alta filtragem/compressor sem óleo, fita, Sharpie, bisturi, spudger plástico, lupa/equipamento óptico, JIS x 2.5mm ou chave Philips #00, JIS x 3.0mm ou chave Philips #0
Desmontagem
- Durante a desmontagem, orientar a lente de modo que a marcação de abertura fique voltada para o operador e para a borda frontal da mesa
- Primeiro remover o espaçador decorativo de plástico ao redor do elemento traseiro da lente e retirar 3 parafusos mecânicos pretos
- Remover 2 parafusos niquelados que fixam a lateral da interface de terminais do bloco de lente plástico ao mount metálico da lente
- Os parafusos são guardados sobre fita dupla face em uma disposição alinhada com a orientação da lente, facilitando a remontagem posterior
- A baioneta do mount da lente e o shim são importantes em orientação e ordem, então são guardados em fita separada
- Como havia problema na montagem no corpo da câmera, foram inspecionados defeitos e sujeira superficial no shim, na parte traseira da baioneta e no corpo da lente, e todas as superfícies foram limpas com álcool isopropílico
- O cabo flex do bloco de contatos da lente exige cuidado especial no manuseio
- O bloco de contatos L-mount tem 10 terminais e se conecta à PCB de controle por meio de um cabo flexível de poliimida
- Esse cabo flex tende a rasgar com facilidade
- Antes de continuar a desmontagem, é preciso verificar com um multímetro a continuidade de cada trilha
- Se houver rasgo visível, o conserto desse cabo flex deve vir antes do diagnóstico do problema
- O cabo flex dessa lente não apresentou falhas na medição de continuidade
- A carcaça traseira de alumínio usinado em CNC é o próximo item a ser desmontado
- Duas fitas de aterramento são presas à carcaça traseira com parafusos mecânicos niquelados
- As fitas ficam aproximadamente nas posições de 2 horas e 7 horas
- O conector flex do interruptor de encaixe na posição de 11 horas pode ser desconectado balançando-o com uma pinça
- 4 parafusos autoatarraxantes com acabamento preto oxidado unem a carcaça ao módulo central plástico da lente
- Depois de desconectar os cabos flex, a PCB de controle pode ser retirada do corpo da lente para inspeção detalhada
- Os parafusos de fixação da PCB são 3 parafusos pretos autoatarraxantes nas posições de 2 horas, 7 horas e 10 horas
Análise da PCB
- A PCB em formato de C é composta, como outras PCBs de controle de lente, por microcontrolador principal, controlador DC-DC, controlador de motor, oscilador de cristal e vários componentes passivos
- No lado oposto ficam os conectores FPC (Flexible Printed Circuit), pontos de teste e um encapsulamento SPI flash de 8 pinos logo abaixo do microcontrolador principal
- A inspeção de uma falha desconhecida na PCB começa rastreando a linha de alimentação de entrada
- Confirmar de onde a placa deve receber energia
- Identificar onde as trilhas de V+ e Gnd começam na PCB
- Ver qual é o primeiro componente que recebe energia na placa
- Como camadas da PCB e trilhas com jumpers podem tornar tudo complexo, vale fazer anotações simples sobre o fluxo de energia
- Ao rastrear a alimentação de entrada desde o bloco de terminais da lente, é possível ver trilhas largas na PCB flex correspondendo a V+ e Gnd
- Nesta PCB, o rastreamento da alimentação de entrada tem uma estrutura complicada
- As trilhas largas do cabo flex ficam escondidas sob o conector FPC
- Elas passam para o outro lado da PCB por meio de vias
- A trilha de alimentação se conecta a um conversor DC-DC, um pequeno chip preto quadrado
- A pista para identificar o controlador DC-DC está nos componentes adjacentes grandes e espessos em tom mostarda, bege e preto
- O componente marcado como “2R2” é um indutor de 2.2µH
- Colocar o indutor perto do controlador de energia é uma recomendação comum dos fabricantes de semicondutores para reduzir emissões irradiadas e ruído
- A PCB da lente Sigma usa um conversor buck TI TPS62140RGTR em encapsulamento 16-VQFN, marcado como “PA71 TI 18i”
- O layout é muito parecido com o arranjo recomendado no datasheet da TI, e o C1 atua como capacitor principal de filtro de entrada do conversor DC-DC, ligando Vin a Gnd
- O encapsulamento marcado com “N” ao lado do C1, no trilho de tensão de entrada, é o fusível que protege o DC-DC contra danos
- A verificação com multímetro mostrou que esse fusível estava aberto
- O fusível protegeu o conversor DC-DC contra destruição
- A busca por um fusível marcado com “N” não trouxe muitos resultados úteis, mas no AliExpress apareceu a sugestão de um fusível SMT de 2A
- O datasheet do TPS62140RGTR informa corrente de saída de 2A e, com base em experiência prévia com fusíveis SMT da Panasonic Semi, foi escolhido o fusível de corte rápido 2A 32V ERB-RE2R00V
- As câmeras Lumix GH3, GH4 e GH5 usam uma mistura de fusíveis 32V de 2.5A e 1.5A
- Em circuitos eletrônicos de câmera, um encapsulamento de 2 terminais com formato de resistor e marcação arbitrária de uma letra costuma ser um fusível SMT e, às vezes, tem terminais em formato de concha
- O fusível com defeito é do tamanho 0603, então o reparo é possível mesmo com equipamento relativamente barato e pouco preciso
- Também existem fusíveis 0402 e 0201
- O layout deixa espaço ao lado do fusível para acesso das ferramentas de reparo
- Um exemplo é o fusível de entrada da bateria na placa principal da Lumix GH3/GH4, preso entre o slot de cartão SD e o conector saliente da bateria
- Com pinça SMT, a troca do fusível é fácil; de forma improvisada, também dá para usar 2 ferros de solda
- O procedimento de reparo consiste em remover o fusível queimado, limpar os pads, alinhar o novo fusível na posição, fixá-lo e depois soldar cada terminal
Investigação do fusível
- Nenhum ponto de falha específico foi encontrado para explicar por que o fusível queimou
- Uma condição de uso considerada como possível causa foi deixar a câmera por horas ou dias procurando foco continuamente com a lente em modo AFC (foco automático contínuo)
- As condições de operação no datasheet da TI serviram como pista para a análise da falha
- A corrente de saída é limitada pelo limitador de corrente
- Devido ao atraso interno de propagação, a corrente real pode exceder o limite estático de corrente durante esse intervalo
- ILIMF é o limite de corrente direta do MOSFET high-side
- As condições de teste são VIN=12V, TA=25°C, com mínimo de 2.45A, típico de 3A e máximo de 3.5A
- Em situação de sobrecorrente, por causa do atraso interno de propagação, a corrente consumida de fato pode ultrapassar por um tempo muito curto o limite estático de corrente
- Se o projetista da PCB de controle da lente realmente implementou, como estimado, um fusível SMT de corte rápido de 2A, então o controlador DC-DC pode ter operado fora da especificação desse fusível, segundo essa etapa da análise
Resultado do reparo
- Depois da troca do fusível, a lente voltou a funcionar normalmente
- O desempenho em AFC não é muito rápido, mas é suficiente para confirmar o resultado do reparo
- O dial de foco manual funciona bem e tem um nível de amortecimento agradável de usar
- A sensação do anel de abertura lembra a da Lumix LX100, com avaliação de que é excelente
Solução de problemas adicional
- Se o fusível tivesse continuidade, a próxima verificação seria a tensão de saída do DC-DC
- Seria necessário confirmar se a tensão de saída está dentro da especificação de operação
- Também seria necessário verificar se ela está abaixo ou acima da exigida pelo microcontrolador principal
- O microcontrolador principal desta PCB está marcado como “341Fy 551486”, mas o componente real é o Toshiba TMPM341FYXBG
- Microcontrolador Arm M3 de 32 bits
- Suporta várias funções, periféricos de I/O e protocolos de comunicação para controle de motor
- Atua como principal hub de comunicação da PCB de controle
- Um microcontrolador dedicado precisa de um sinal de clock preciso para se comunicar com outros microcontroladores e periféricos no circuito
- Ao encontrar um oscilador de cristal dedicado na PCB, há boa chance de que um microcontrolador esteja por perto
- Osciladores de cristal de quartzo tradicionais têm várias frequências de operação e são selados em encapsulamentos metálicos prateados
- São comuns em encapsulamentos de montagem em superfície ou through-hole
- Osciladores de cristal MEMS também são possíveis, mas são um pouco mais caros e menos comuns
- Osciladores MEMS geralmente usam encapsulamentos chip-scale ou flip-chip muito pequenos, quadrados e reflexivos
- Alguns microcontroladores têm oscilador on-chip, mas como ele não é tão consistente quanto um cristal externo, o cristal externo costuma ser preferido
- A próxima etapa seria verificar a alimentação de entrada do TMPM341FYXBG
- Uma falha de componente entre o trilho de saída do controlador DC-DC e a entrada de alimentação do TMPM341FYXBG pode causar mau funcionamento do microcontrolador principal
- O TMPM341FYXBG usa encapsulamento BGA P-TFBGA113 de 113 esferas, 6×6mm e pitch de 0.5mm, então não é fácil medir diretamente Vin e Gnd
- Por ser um componente baseado em Arm M3, ele é tratado como um componente de 3.3V
- O datasheet da Toshiba informa faixa de tensão operacional de 2.7~3.6V
- Se a alimentação de entrada do microcontrolador estiver fora dessa faixa ou houver curto entre Vin e Gnd nas proximidades, isso é um sinal de alerta
- Uma forma fácil de medir tensão em tempo real é reconectar o flex de contatos da lente à PCB de controle e imprimir em 3D um gabarito de lente falso para encostar nos contatos do corpo da câmera
- A Sigma disponibiliza gratuitamente arquivos STEP de quase todos os corpos de câmera e acessórios como modelos no GrabCAD
- Com a PCB de controle no lugar e a lente montada na câmera, é possível medir 3.3V em trilhas largas próximas ao TMPM341FYXBG
- Se o microcontrolador estiver recebendo energia dentro da especificação, será preciso continuar o diagnóstico da falha da PCB da lente
- Os pads de teste circulares próximos ao microcontrolador principal são uma pista de que programação e teste eram feitos em um jig bed-of-nails antes da montagem
- Como os pads de teste não têm rótulo, encontrar o pad correto exige tentativa e erro
- Para medir pontos de teste perto do microcontrolador, é necessário um analisador lógico
- Se for possível encontrar UART nos pinos de teste, a decodificação da sequência de bits de boot pode confirmar se o microcontrolador inicializa corretamente
- O encapsulamento SPI flash de 8 pinos marcado como “GD V4CE 2030” também é alvo de análise adicional
- Embora não haja um datasheet exato, “GD” é o prefixo usado pela GigaDevice, fabricante desse tipo de memória
- Encapsulamentos de 8 pinos são comuns em pequenos chips de flash externa
- Esse encapsulamento tem footprint XY de 3×2mm e é muito próximo do encapsulamento USON8 LGA8 nos datasheets da GigaDevice
- Se houver suspeita de falha no chip de flash, é possível dessoldá-lo e ler seu conteúdo ou cloná-lo em outro chip de flash
- A análise do chip de flash está fora do escopo deste reparo
- Se o microcontrolador principal estiver funcionando corretamente, ao montar a PCB de controle da lente a câmera pode exibir na LCD valores de entrada como abertura ou distância focal
- Os valores podem estar errados, mas pelo menos alguns dados vindos do microcontrolador controlador da lente devem aparecer na tela da câmera
- O próximo item a verificar seria o controlador de motor Rohm BU24020GU, encapsulado como “U24020 202184”
- Esse componente é configurado como periférico SPI
- SPI é uma comunicação síncrona e exige sinal de clock entre o controlador mestre e o dispositivo escravo
- Há muitos componentes passivos ao redor do BU24020GU, além de um encapsulamento de 4 pinos não populado
- Segundo o datasheet da Rohm, o BU24020GU também é um componente de 3.3V, então a tensão precisa ser verificada
- Se não estiver recebendo a faixa de entrada de 2.7~3.6V, o chip não funcionará corretamente
- Esse componente também é BGA, então é difícil fazer medições
- É possível rastrear os caminhos de alimentação ao redor aproveitando a convenção de que trilhas de energia são mais largas que trilhas de sinal
- Ao redor do chip U24020 existe um padrão de 3 conjuntos, cada um com 2 capacitores ligados ao terra
- Os 2 capacitores são capacitores de desacoplamento
- O capacitor maior normalmente fica na faixa de 0.1µF~1µF
- O capacitor menor normalmente fica na faixa de nanofarads
- Esse é um arranjo comum para reduzir ruído em diferentes frequências
- O datasheet descreve o BU24020GU como controlador de motor de 4 canais, e o arranjo dos capacitores indica que a alimentação de todos os canais foi colocada na PCB
- Medindo entre os pares de alimentação é possível confirmar o estado da energia necessária
- Segundo o datasheet, Vin é DVDD, MVCC12 e MVCC34
- Gnd é DVSS, MGND12 e MGND34
- Se o controlador de motor estiver recebendo 3.3V, mas o motor de foco da lente não se mover durante o curso completo de foco, será necessária uma inspeção óptica do cabo flex de foco da lente
- Cabos flex tendem a romper por fadiga quando são comprimidos com raio de curvatura muito pequeno
- Dependendo do movimento do cabo, o mecanismo de foco pode voltar a funcionar temporariamente, mas isso é um falso positivo
- No movimento seguinte do flex, a comunicação da lente pode ser interrompida de novo
Outras observações sobre a PCB da lente
- As fotos macro da PCB da lente mostram muitos pequenos furos espalhados pela placa
- Esses pequenos furos são vias through-hole, e muitos deles foram perfurados no polígono de terra da camada superior verde
- As vias atuam como caminho de retorno para componentes ruidosos da PCB e conectam o polígono de terra das camadas externas ao plano interno de terra
- O motivo de haver grandes agrupamentos de vias em certas áreas é o via stitching
- O via stitching fornece um caminho de baixa impedância para correntes de retorno induzidas por componentes muito ruidosos
- Quando cerca componentes ou áreas ruidosas da PCB, pode bloquear a propagação de ondas eletromagnéticas até uma certa frequência máxima
- Nesta PCB, as stitching vias não cercam completamente nenhuma trilha ou componente específico
- A estrutura não funciona como uma Faraday cage nem como guard ring
- Ainda assim, ajuda a fornecer caminho de retorno de ruído que reduz EMI irradiada no processo final de projeto
Conclusão
- O reparo foi concluído há cerca de 2 meses, coincidindo com a primeira floração da primavera no nordeste dos Estados Unidos
- A lente 45mm continua sendo usada para fotografar o jardim ao redor da casa e para registrar outros projetos eletrônicos
- Este é um caso em que um único componente 0603 pequeno conseguiu parar uma lente que, fora isso, estava em perfeito estado
- A desmontagem completa da lente e a troca do fusível levaram menos de 1 hora
- Registrar o reparo levou mais de uma ordem de grandeza a mais de tempo do que o reparo em si
1 comentários
Comentários do Hacker News
30 ns de atraso de propagação do TPS62140 não bastam para abrir um fusível. O primeiro princípio de um fusível é que ele não existe para salvar componentes, e sim para evitar incêndios, e muita gente, inclusive engenheiros modernos, não sabe disso
Mesmo fusíveis rápidos são muito lentos em comparação com semicondutores. Já vi transistor queimar antes para “proteger” o fusível. Fusível serve só para evitar incêndio e impedir que a bateria seja danificada
O circuito padrão usa fusível, um clamp Zener rápido e, às vezes, um pequeno resistor (por exemplo, 1Ω) ou capacitor. Ele é projetado para limitar a corrente com o resistor, para que o Zener não morra antes do fusível
Em um dispositivo USB de 0,5 W, a corrente máxima é de cerca de 100 mA, e a queda de tensão em 1Ω seria 100 mV, algo desprezível na maioria dos casos. Em dispositivos de alta potência, fica mais complicado
Produtos de consumo não são feitos para conserto, esse tipo de proteção não vende, e é preciso economizar cada centavo, então não há pressão de mercado para fazer direito. Mesmo assim, antigamente era assim que se fazia, e em áreas importantes ainda se faz assim. Se fosse uma peça única ou produção em pequeno volume, eu certamente colocaria proteção adequada
Só que essa abordagem deixa de valer quando você desce ao nível dos semicondutores
Para quem não acompanha o mundo das câmeras há algum tempo, hoje em dia lentes mirrorless podem vir com porta USB-C para receber atualizações de firmware
Por exemplo, lentes da Tamron podem se comunicar com um app/computador por controle com fio ou dongle sem fio para alterar o comportamento da lente, além de mudar a função de botões e anéis físicos. Também dá para ajustar configurações em etapas para stop motion, timelapse e stacking
Isso está bem longe da época em que lentes eram só metal e vidro. Há desvantagens, claro, mas na prática considero um grande avanço. Cada fotógrafo trabalha de um jeito diferente, então poder ajustar o equipamento por completo é uma bênção, especialmente quando velocidade e resposta imediata são importantes
Claro que ainda existem muitas lentes focadas principalmente em metal e vidro, e novas continuarão sendo projetadas e produzidas, mas não acho que essa seja a tendência principal
O mirrorless reviveu dramaticamente a utilidade das lentes manuais, e avanços importantes de qualidade óptica em todas as faixas de preço têm acontecido bastante nesse segmento. O valor da personalidade da lente também está voltando a ser compreendido
Se isso é um trampolim para fabricantes chineses migrarem para lentes com autofoco, o tempo dirá. Esse elemento certamente existe, mas também há muitos projetos excelentes de lentes novas vindos da Cosina-Voigtländer e de várias marcas de fotografia próximas do universo de cinema
Em cinema e TV, o operador de câmera ainda costuma focar manualmente, muitas vezes por meio de engrenagens acopladas à parte externa da lente
Se você está acostumado com equipamento fotográfico moderno, foco manual pode parecer incômodo e difícil de aprender, mas as lentes cine têm um charme muito antigo e muito legal. A sensação tátil também é ótima
Além disso, parece que o corpo da câmera poderia lidar com isso muito mais facilmente. Se a ideia é fazer algo como rack focus estranho para stop motion, fico me perguntando por que deixar câmera e lente funcionarem separadamente. Parece bem trabalhoso
Estou dizendo isso por causa do Samyang Lens Station. Os usuários reclamaram bastante, e parece que começaram a colocar USB-C nas lentes novas
Colocar os parafusos removidos sobre fita dupla-face é realmente uma ótima ideia. Vou tentar isso da próxima vez que desmontar algum eletrônico
Até agora eu jogava tudo em um recipiente e depois perdia tempo tentando achar os parafusos do tamanho certo na remontagem
Em conserto de relógios, não é bom magnetizar parafusos, e imagino que com câmeras seja parecido. Se o magnetismo fizer componentes se atraírem, isso pode aumentar a resistência ao movimento
Também já vi um método inteligente de desenhar o objeto em que se está trabalhando em um papelão e enfiar os parafusos nas posições correspondentes para rastrear onde cada um vai
Vou colocando na mesma disposição aproximada de onde saíram, de cima para baixo, por camadas, seguindo a ordem da desmontagem
É um hábito que peguei trabalhando com notebooks em um centro de reparo em garantia. Talvez eu experimente fita também
O autor diz que pode usar chave PH em parafuso JIS, mas pela minha experiência isso sempre acabou espanando a cabeça do parafuso
Ainda assim, o trabalho em si é surpreendentemente excelente
Foi um site divertido de explorar. Eu realmente gosto de consertar ou hackear equipamentos que não são descartáveis, como equipamentos de laboratório, instrumentos de medição e equipamentos ópticos, e há vários textos bem organizados ali
Ainda bem que eu só conserto lentes manuais antigas. Lentes da era Nikon AI/AI-S assustam menos
Recentemente, durante um intervalo entre empregos, trabalhei um pouco com projeto e montagem de lentes de câmera. Foi realmente interessante e gratificante
Foi uma grande pena não terem condições de me pagar o suficiente para que eu continuasse lá