La compleja parte interna de la reparación de lentes de cámara modernas (2024)
(salvagedcircuitry.com)- Un lente Sigma 45mm f/2.8 L-mount que no respondía en absoluto al control electrónico volvió a funcionar normalmente tras reemplazar un fusible SMT 0603 en la línea de alimentación de entrada del PCB de control
- El síntoma inicial era una falla eléctrica: al montarlo en una Lumix S5 se mostraba la imagen en vivo, pero ni los diales e interruptores del lente ni el dial de control de la cámara funcionaban
- La secuencia de diagnóstico consistió en verificar la continuidad del cable flex de 10 terminales del bloque de contactos del lente, rastrear la alimentación de entrada e inspeccionar el convertidor DC-DC y el fusible adyacente
- El fusible dañado había protegido la entrada del convertidor DC-DC, no se encontró un punto de falla concreto y la condición de sobrecorriente del datasheet de TI dio pistas para un análisis adicional
- Toda la reparación terminó en menos de una hora con el desmontaje completo del lente y el cambio del fusible, un caso en el que una pequeña pieza de protección de energía pudo detener por completo un lente que por lo demás estaba sano
Contexto
- Criterio personal de compra: limitarse a comprar lentes funcionales y pujar, en general, solo por lentes que cuesten menos de una cuarta parte de su precio de reventa usado y que tengan poco o ningún daño mecánico
- Había interés en los lentes Sigma de la serie I de producción reciente por su construcción mayormente de aluminio, y en enero apareció en eBay un lente 45mm f/2.8 averiado a bajo precio
- El vendedor solía tener inventario de equipo moderno de cámara averiado y a veces desarmaba equipos para venderlos por partes
Llegada
- El lente llegó bien embalado y, en la inspección inicial, el barril y los elementos frontal y trasero no tenían rayones
- La inspección de los elementos externos del lente se hizo quitando el polvo con aire comprimido sin aceite y luego limpiando los elementos frontal y trasero con Kimwipe y líquido limpiador para lentes
- Para la mayoría de los elementos externos del lente también basta un limpiador de lentes para anteojos de farmacia, y el alcohol isopropílico es otra alternativa
- No usar alcohol isopropílico en lentes de plástico
- Al montarlo en una Lumix S5 se sintió tan rígido que parecía requerir fuerza excesiva, pero una vez montado la cámara arrancó con normalidad y mostró imagen en vivo
- Los diales e interruptores del lente no respondían a la entrada del usuario, y el movimiento del dial de control de la cámara tampoco se registraba, por lo que se consideró una falla eléctrica
- El PCB de control normalmente está cerca del bloque de contactos trasero del lente, en la parte posterior, y la estructura también permite revisar un montaje del lente muy rígido
Herramientas
- La barrera de entrada para esta reparación es baja y la mayoría de las herramientas son equipo estándar y genérico
- El mayor costo fuera del lente es el aire filtrado, aunque también se puede usar un soplador de aire comprimido
- Como el personal de diseño de la industria de cámaras se concentra en Japón, los tornillos JIS son estándar; un destornillador Phillips también funciona, pero tiende a barrer antes las cabezas JIS
- Herramientas usadas: Kimwipes/toallitas para lente sin pelusa, alcohol isopropílico en spray, limpiador para anteojos, paño de microfibra, guantes de nitrilo, aire de banco de trabajo altamente filtrado/compresor sin aceite, cinta, Sharpie, bisturí, spudger plástico, lupa/equipo óptico, JIS x 2.5mm o destornillador Philips #00, JIS x 3.0mm o destornillador Philips #0
Desmontaje
- Al desarmar, orientar el lente de forma que la marca de apertura apunte hacia quien trabaja y al borde frontal de la mesa
- Primero retirar el espaciador decorativo plástico alrededor del elemento trasero y quitar 3 tornillos mecánicos negros
- Quitar 2 tornillos niquelados que fijan el lateral de la interfaz de terminales del bloque plástico del lente al montaje metálico del lente
- Los tornillos se guardan sobre cinta de doble cara en una disposición alineada con la orientación del lente, lo que facilita el reensamblaje posterior
- La orientación y el orden de la bayoneta del montaje del lente y las calzas (shim) son importantes, así que se guardan en una cinta aparte
- Como había problemas al montarlo en el cuerpo de cámara, se inspeccionaron las calzas, la parte trasera de la bayoneta y los defectos y contaminación superficial del cuerpo del lente, y se limpiaron todas las superficies con alcohol isopropílico
- El cable flex del bloque de contactos del lente requiere especial cuidado al manipularlo
- El bloque de contactos L-mount tiene 10 terminales y se conecta al PCB de control mediante un cable flexible de poliimida
- Este cable flex tiende a rasgarse fácilmente
- Antes de seguir desarmando, hay que verificar con un multímetro la continuidad de cada pista
- Si hay un desgarro visible, primero se debe reparar ese cable flex antes de diagnosticar cualquier otro problema
- El cable flex de este lente no mostró fallas en la medición de continuidad
- La carcasa trasera de aluminio mecanizado por CNC fue el siguiente objetivo del desmontaje
- Dos tiras de tierra están fijadas a la carcasa trasera con tornillos mecánicos niquelados
- Las tiras están aproximadamente en las posiciones de las 2 y las 7 en punto
- El conector flex del interruptor push-in a las 11 en punto se puede soltar moviéndolo con pinzas
- Cuatro tornillos autorroscantes con acabado negro unen la carcasa con el módulo plástico central del lente
- El PCB de control se puede sacar del cuerpo del lente para inspección detallada después de desconectar los cables flex
- Los tornillos que fijan el PCB son 3 tornillos negros autorroscantes ubicados aproximadamente a las 2, 7 y 10 en punto
Análisis del PCB
- El PCB en forma de C está compuesto, igual que otros PCB de control de lentes, por un microcontrolador principal, controlador DC-DC, controlador de motor, oscilador de cristal y varios componentes pasivos
- En la cara opuesta están los conectores FPC (Flexible Printed Circuit), puntos de prueba y un encapsulado SPI flash de 8 pines justo debajo del microcontrolador principal
- La revisión de una falla desconocida en un PCB comienza rastreando la línea de alimentación de entrada
- Identificar de dónde debería recibir energía la placa
- Identificar dónde comienzan primero las pistas V+ y Gnd en el PCB
- Identificar qué componente recibe primero la energía en la placa
- Como las capas del PCB y las pistas saltadas pueden ser complejas, conviene hacer un esquema simple del flujo de energía
- Al rastrear la alimentación de entrada desde el bloque de terminales del lente, se observan pistas gruesas del flex PCB que pueden interpretarse como V+ y Gnd
- En este PCB el rastreo de la energía de entrada tiene una estructura complicada
- Las pistas grandes del cable flex están ocultas debajo del conector FPC
- Pasan al lado opuesto del PCB mediante una vía (via)
- La pista de alimentación se conecta a un pequeño chip cuadrado negro, el convertidor DC-DC
- La pista sobre el controlador DC-DC la dan los componentes de bloque grandes y gruesos de color marrón amarillento, beige y negro que están al lado
- El componente marcado “2R2” es un inductor de 2.2µH
- Colocar el inductor cerca del controlador de energía es una recomendación común de los fabricantes de semiconductores para reducir emisiones radiadas y ruido
- El PCB del lente Sigma usa un convertidor buck TI TPS62140RGTR en encapsulado 16-VQFN, marcado “PA71 TI 18i”
- El diseño es muy parecido a la disposición recomendada en el datasheet de TI, y C1 actúa como el capacitor de filtro principal de entrada del convertidor DC-DC entre Vin y Gnd
- El encapsulado marcado con “N” junto a C1 en el riel de voltaje de entrada es un fusible que protege al DC-DC contra daños
- La revisión con multímetro mostró que ese fusible estaba abierto (open)
- El fusible había protegido al convertidor DC-DC de una destrucción mayor
- Buscar el fusible marcado con “N” no dio muchos resultados útiles, pero en AliExpress apareció la sugerencia de un fusible SMT de 2A
- El datasheet del TPS62140RGTR especifica una corriente de salida de 2A y, con base en experiencia con fusibles SMT Panasonic Semi, se eligió un fusible rápido de 2A 32V ERB-RE2R00V
- Las cámaras Lumix GH3, GH4 y GH5 usan una mezcla de fusibles de 32V 2.5A y 1.5A
- En electrónica de cámaras, un encapsulado de 2 terminales con forma de resistencia y marcado de una sola letra suele ser un fusible SMT, a veces con terminales tipo concha
- El fusible averiado era tamaño 0603, así que su reparación es posible con equipo relativamente barato y poco preciso
- También existen fusibles 0402 y 0201
- El diseño deja espacio de acceso para herramientas de reparación junto al fusible
- Un ejemplo es el fusible de entrada de batería en la placa principal de una Lumix GH3/GH4, encajado entre la ranura SD y el conector de batería saliente
- Con pinzas SMT, cambiar el fusible es fácil, y de forma provisional también se pueden usar 2 cautines
- El procedimiento de reparación consistió en quitar el fusible dañado, limpiar las almohadillas, alinear el nuevo fusible en su lugar, fijarlo y soldar cada terminal
Investigación del fusible
- No se encontró un punto de falla concreto que explicara por qué se quemó el fusible
- Entre las condiciones de uso consideradas como causa posible estaba dejar la cámara durante horas o días en modo AFC (autofoco continuo) con el lente puesto, mientras seguía buscando foco
- Las condiciones de operación del datasheet de TI dieron pistas para el análisis del punto de falla
- La corriente de salida está limitada por limitación de corriente
- Debido al retardo de propagación interno, la corriente real puede superar durante ese tiempo el límite de corriente estático
- ILIMF es el límite de corriente directa del MOSFET high-side
- Las condiciones de prueba son VIN=12V, TA=25°C, con mínimo 2.45A, típico 3A y máximo 3.5A
- En una condición de sobrecorriente, el retardo de propagación interno puede permitir que la corriente consumida real supere el límite de corriente estático por un tiempo muy corto
- Si, como se estima, el diseñador del PCB del lente implementó un fusible SMT rápido de 2A, en esa etapa del análisis se planteó la posibilidad de que el controlador DC-DC pudiera haber operado fuera de la especificación del fusible de 2A
Resultado de la reparación
- Después de cambiar el fusible, el lente funcionó normalmente
- El rendimiento AFC no es rapidísimo, pero fue suficiente para confirmar el resultado de la reparación
- El dial de enfoque manual funciona bien y tiene un nivel de amortiguación agradable al uso
- La sensación del anillo de apertura recuerda a la Lumix LX100 y se considera excelente
Resolución adicional de problemas
- Si el fusible hubiera tenido continuidad, el siguiente punto a revisar habría sido el voltaje de salida del DC-DC
- Habría que confirmar si el voltaje de salida está dentro de la especificación de operación
- Habría que verificar si está por debajo o por encima del requisito de alimentación del microcontrolador principal
- El microcontrolador principal de este PCB está marcado “341Fy 551486”, pero el componente real es Toshiba TMPM341FYXBG
- Microcontrolador Arm M3 de 32 bits
- Soporta varias funciones, periféricos de I/O y protocolos de comunicación para control de motores
- Actúa como el centro principal de comunicación del PCB de control
- Un microcontrolador dedicado necesita una señal de reloj precisa para comunicarse con otros microcontroladores y periféricos del circuito
- Si se encuentra un oscilador de cristal dedicado en un PCB, es probable que haya un microcontrolador cerca
- Los osciladores de cristal de cuarzo tradicionales vienen en una variedad de frecuencias de operación y están sellados en encapsulados metálicos plateados
- Son comunes en encapsulados de montaje superficial o de inserción
- También puede haber osciladores MEMS, aunque son algo más caros y menos comunes
- Los osciladores MEMS suelen ser chips muy pequeños, cuadrados y reflectivos, en encapsulados chip-scale o flip-chip
- Algunos microcontroladores tienen oscilador on-chip, pero como no es tan consistente como un cristal externo, se suele preferir este último
- Confirmar la alimentación de entrada del TMPM341FYXBG sería el siguiente paso
- Una falla en componentes entre el riel de salida del controlador DC-DC y la entrada de alimentación del TMPM341FYXBG podría causar el mal funcionamiento del microcontrolador principal
- El TMPM341FYXBG está en un encapsulado BGA P-TFBGA113 de 113 bolas, paso de 0.5mm y 6×6mm, así que no es fácil medir directamente Vin y Gnd
- Como es una pieza basada en Arm M3, se lo trata como un componente de 3.3V
- El rango de voltaje de operación en el datasheet de Toshiba es de 2.7~3.6V
- Si la alimentación de entrada del microcontrolador se sale de ese rango o hay un corto entre Vin y Gnd cerca de él, es una señal de alerta
- Una forma sencilla de hacer medición de voltaje en tiempo real es volver a conectar el flex de contactos del lente al PCB de control y usar un jig de lente falso impreso en 3D para hacer contacto con el cuerpo de cámara
- Sigma publica gratis archivos STEP de casi todos sus cuerpos de cámara y accesorios como modelos GrabCAD
- Con el PCB de control en su lugar y montado en la cámara, se puede medir 3.3V en una pista ancha cerca del TMPM341FYXBG
- Si el microcontrolador recibe alimentación dentro de especificación, se necesita más resolución de problemas para diagnosticar la falla del PCB del lente
- Las almohadillas de prueba circulares cerca del microcontrolador principal indican que antes del ensamblaje hubo programación y pruebas con un jig tipo bed-of-nails
- Los test pads no tienen etiquetas, así que encontrar la almohadilla correcta requiere prueba y error
- Para medir puntos de prueba cerca del microcontrolador hace falta un analizador lógico
- Si se encuentra UART en los pines de prueba, descifrar la secuencia de bits de arranque puede confirmar si el microcontrolador inicia correctamente
- El encapsulado SPI flash de 8 pines marcado “GD V4CE 2030” también es un objetivo de análisis adicional
- No hay un datasheet exacto, pero “GD” es un prefijo de identificación del fabricante de memorias GigaDevice
- El encapsulado de 8 pines es común en pequeños encapsulados de memoria flash externa
- Ese encapsulado tiene una huella XY de 3×2mm, muy cercana al encapsulado USON8 LGA8 del datasheet de GigaDevice
- Si se sospecha una falla del encapsulado flash, se puede desoldar el chip, leer su contenido o clonarlo en otro encapsulado flash
- El análisis del encapsulado flash va más allá del alcance de esta reparación
- Si el microcontrolador principal funciona correctamente, al montar el PCB de control del lente deberían mostrarse en la LCD de la cámara valores de entrada como apertura o distancia focal
- Los valores podrían ser incorrectos, pero algunos datos provenientes del microcontrolador controlador del lente deberían mostrarse en la pantalla de la cámara
- El siguiente objetivo de revisión es el controlador de motor Rohm BU24020GU, encapsulado marcado “U24020 202184”
- Este componente está configurado como periférico SPI
- SPI es una comunicación síncrona y requiere una señal de reloj entre el controlador maestro y el dispositivo esclavo
- Alrededor del BU24020GU hay muchos componentes pasivos y también un encapsulado de 4 pines no poblado
- Según el datasheet de Rohm, el BU24020GU también es un componente de 3.3V, así que hay que verificar el voltaje
- Si no recibe un rango de entrada de 2.7~3.6V, el chip no funcionará correctamente
- Este componente también es BGA, así que es difícil medirlo
- Se puede rastrear la ruta de alimentación cercana usando la convención de que las pistas de energía son más gruesas que las de señal
- Cerca del chip U24020 hay un patrón de 3 arreglos con 2 capacitores cada uno conectados a tierra
- Los 2 capacitores son capacitores de desacoplo
- El capacitor grande suele estar en el rango de 0.1µF~1µF
- El capacitor pequeño suele estar en el rango de nanofaradios
- Es una disposición común para reducir ruido en distintas frecuencias
- El datasheet identifica al BU24020GU como un controlador de motor de 4 canales, y el arreglo de capacitores indica que en el PCB están distribuidas las alimentaciones de todos los canales
- Midiendo entre pares de alimentación se puede comprobar el estado de energía necesario
- Según el datasheet, Vin corresponde a DVDD, MVCC12 y MVCC34
- Gnd corresponde a DVSS, MGND12 y MGND34
- Si el controlador de motor recibe 3.3V pero el motor de enfoque del lente no se mueve durante el recorrido completo de enfoque, hace falta una inspección óptica del cable flex de enfoque del lente
- Los cables flex tienden a romperse por fatiga acumulada si su radio de curvatura se comprime demasiado
- Dependiendo del movimiento del cable, el mecanismo de enfoque podría volver a funcionar temporalmente, pero sería un falso positivo
- En el siguiente movimiento del flex podría perderse otra vez la comunicación del lente
Otras observaciones sobre el PCB del lente
- En las fotos macro del PCB del lente se ven muchos agujeros pequeños repartidos por la placa
- Esos agujeros pequeños son vías pasantes, y muchos están perforados dentro del polígono de tierra de la capa superior verde
- Las vías actúan como ruta de retorno para componentes ruidosos del PCB y conectan el polígono de tierra de las capas externas con el plano interno de tierra
- La razón por la que hay grandes grupos de vías en zonas específicas es el via stitching
- El via stitching proporciona una ruta de baja impedancia para la corriente de retorno inducida por componentes ruidosos
- Si rodea componentes o zonas ruidosas del PCB, puede bloquear la propagación de ondas electromagnéticas hasta cierta frecuencia máxima
- En este PCB, las stitching vias no rodean por completo una pista o componente específico
- No funcionan como una jaula de Faraday ni como un guard ring
- Sí proporcionan rutas de retorno de ruido que ayudan a reducir EMI radiada en el proceso de diseño final
Conclusión
- La reparación se completó hace unos 2 meses, coincidiendo con la primera floración de primavera en el noreste de Estados Unidos
- El lente de 45mm sigue usándose para fotografiar alrededor del jardín y para documentar otros proyectos electrónicos
- Fue un caso en el que una sola pieza 0603 muy pequeña pudo detener un lente por lo demás sano
- El desmontaje completo del lente y el cambio del fusible tomaron menos de 1 hora
- Escribir el registro de la reparación tomó más de un orden de magnitud más tiempo que la reparación real
1 comentarios
Comentarios de Hacker News
Los 30 ns de retardo de propagación del TPS62140 no alcanzan para abrir un fusible. El primer principio de un fusible es que no está para salvar componentes, sino para evitar incendios, y sorprende cuántos ingenieros modernos no lo saben
Incluso los fusibles rápidos son lentísimos comparados con los semiconductores. He visto transistores explotar antes para “proteger” al fusible. Los fusibles solo sirven para evitar incendios y para no arruinar la batería
Un circuito estándar usa un fusible, un clamp zener rápido y, a veces, una resistencia pequeña (por ejemplo, 1Ω) o un capacitor. Se diseña limitando la corriente con la resistencia para que el zener no falle antes que el fusible
En un dispositivo USB de 0.5 W, la corriente máxima sería de unos 100 mA, y la caída de voltaje en 1Ω sería de 100 mV, así que en la mayoría de los casos es despreciable. En dispositivos de alta potencia, la cosa se complica
Los productos de consumo no se reparan, este tipo de protección no vende, y hay que ahorrar hasta el último centavo, así que no existe presión de mercado para hacerlo bien. Aun así, antes se hacía así, y todavía se hace en los lugares donde importa. Si fuera una pieza única o una producción pequeña, definitivamente pondría una protección adecuada
Pero eso deja de aplicar cuando bajas al nivel de los semiconductores
Para quien no haya seguido el mundo de las cámaras en un tiempo, hoy en día algunos lentes mirrorless pueden traer un puerto USB-C para recibir actualizaciones de firmware
Por ejemplo, los lentes Tamron pueden comunicarse con una app o una computadora por control cableado o con un dongle inalámbrico para cambiar el comportamiento del lente, e incluso reasignar funciones de botones físicos y anillos. También se pueden ajustar configuraciones por pasos para lograr efectos tipo stop motion, timelapse o stacking
Está muy lejos de la época en que los lentes eran solo metal y vidrio. Tiene desventajas, claro, pero en la práctica me parece un gran avance. Cada fotógrafo trabaja distinto, así que poder ajustar completamente su equipo es una bendición, especialmente cuando importa la velocidad y la inmediatez
Por supuesto, todavía hay muchos lentes centrados en metal y vidrio, y seguirán diseñándose y fabricándose, pero no creo que esa sea la tendencia principal
Las mirrorless revivieron de forma drástica la utilidad de los lentes de enfoque manual, y muchos avances importantes en calidad óptica en todos los rangos de precio han ocurrido de ese lado. También se está empezando a valorar de nuevo el carácter de los lentes
El tiempo dirá si esto fue un trampolín para que los fabricantes chinos pasaran a lentes con autofoco. Ese factor sin duda existe, pero también están saliendo muchos diseños nuevos excelentes de Cosina-Voigtländer y de varias marcas de fotografía fija cercanas al mundo del cine
En cine y televisión, el operador de cámara todavía suele enfocar manualmente, muchas veces mediante engranes montados por fuera del lente
Si estás acostumbrado al equipo fotográfico moderno, el enfoque manual puede sentirse incómodo y difícil de aprender, pero los lentes de cine tienen una sensación muy vieja escuela y muy genial. También se sienten muy bien en la mano
Además, esto parece algo que el cuerpo de la cámara podría manejar mucho más fácilmente. Si vas a hacer cosas raras como rack focus para stop motion, me pregunto por qué dejar que cámara y lente trabajen por separado. Se ve bastante engorroso
Lo digo por la Samyang Lens Station. Los usuarios se quejaron lo suficiente y parece que empezaron a poner USB-C en los lentes nuevos
Poner los tornillos desmontados sobre cinta de doble cara es una idea realmente buena. Voy a probarlo la próxima vez que desarme algún aparato electrónico
Hasta ahora los guardaba todos en un recipiente y luego perdía tiempo buscando el tornillo del tamaño correcto al volver a armar
En reparación de relojes no conviene magnetizar tornillos, y me imagino que con las cámaras pasa algo parecido. Si el magnetismo hace que las piezas se atraigan entre sí, puede aumentar la resistencia al movimiento
También he visto un método ingenioso: dibujar el objeto en una cartulina e ir clavando los tornillos en la posición correspondiente para llevar control de dónde va cada uno
Los voy poniendo más o menos en la misma disposición en que salen, de arriba abajo y por capas, siguiendo el orden del desarme
Es un hábito que me quedó de trabajar con laptops en un centro de reparación autorizado. Igual voy a probar también lo de la cinta
El autor dice que se puede usar un destornillador PH con tornillos JIS, pero en mi experiencia eso termina redondeando la cabeza del tornillo cada vez
Aun así, el trabajo en sí es sorprendentemente bueno
Fue un sitio muy entretenido para explorar. Me encanta reparar o hackear equipos no desechables como instrumentos de laboratorio, equipos de medición y equipos ópticos, y hay varios textos muy bien organizados
Qué bueno que solo reparo lentes manuales viejos. Los lentes de la época Nikon AI/AI-S dan menos miedo
Hace poco, entre trabajos, estuve un tiempo haciendo diseño y ensamblaje de lentes de cámara. Fue realmente interesante y satisfactorio
Me dio mucha pena que no pudieran pagar lo suficiente como para que me quedara