La complexité interne de la réparation d’un objectif photo moderne (2024)
(salvagedcircuitry.com)- Un objectif Sigma 45mm f/2.8 L-mount dont la commande électronique ne répondait plus du tout a été remis en service après remplacement d’un fusible CMS 0603 sur la ligne d’alimentation d’entrée du PCB de contrôle
- Le symptôme initial était une panne électrique : une image live s’affichait bien une fois monté sur un Lumix S5, mais ni les molettes et interrupteurs de l’objectif ni la molette de contrôle du boîtier ne fonctionnaient
- La séquence de diagnostic a consisté à vérifier la continuité du câble flexible à 10 contacts du bloc de contacts de l’objectif, à remonter la ligne d’alimentation d’entrée, puis à inspecter le convertisseur DC-DC et le fusible voisin
- Le fusible défaillant protégeait l’entrée du convertisseur DC-DC ; aucun point de défaillance précis n’a été identifié, et les conditions de surintensité de la datasheet TI ont fourni un indice pour l’analyse complémentaire
- La réparation complète a pris moins d’une heure, démontage intégral de l’objectif et remplacement du fusible compris, montrant qu’un simple composant de protection d’alimentation peut immobiliser un objectif par ailleurs parfaitement sain
Contexte
- Critère d’achat personnel consistant à se limiter aux objectifs fonctionnels, et à n’enchérir que sur des objectifs valant généralement moins du quart du prix de revente d’occasion, avec peu ou pas de dommages mécaniques
- Intérêt pour la construction majoritairement en aluminium des récents objectifs Sigma I-series, et apparition en janvier sur eBay d’un 45mm f/2.8 en panne à bas prix
- Le vendeur proposait souvent un stock d’équipements photo modernes en panne, et démontait parfois le matériel pour le vendre en pièces détachées
Réception
- L’objectif est arrivé bien emballé, et l’inspection initiale a montré un fût ainsi que des lentilles avant et arrière sans rayures
- L’inspection des éléments optiques externes s’est faite en soufflant la poussière avec de l’air comprimé sans huile, puis en nettoyant les lentilles avant et arrière avec un Kimwipe et du liquide de nettoyage pour objectifs
- Pour la plupart des lentilles externes, un nettoyant pour lunettes de pharmacie suffit aussi, et l’alcool isopropylique est une alternative
- Ne pas utiliser d’alcool isopropylique sur des lentilles en plastique
- Le montage sur un Lumix S5 était si dur qu’il donnait l’impression d’exiger une force excessive, mais une fois en place l’appareil démarrait normalement et affichait l’image live
- Les molettes et interrupteurs de l’objectif ne répondaient pas aux actions de l’utilisateur, et les mouvements de la molette de contrôle du boîtier n’étaient pas non plus pris en compte, ce qui a conduit à conclure à une panne électrique
- Le PCB de contrôle se trouve généralement à l’arrière de l’objectif, près du bloc de contacts arrière, ce qui permet aussi d’examiner cette monture anormalement dure
Outils
- La barrière d’entrée pour cette réparation est faible, et la plupart des outils sont standards et génériques
- En dehors de l’objectif lui-même, la dépense principale est l’air filtré, mais une bombe d’air comprimé peut aussi convenir
- Comme les ingénieurs de conception du secteur photo sont très concentrés au Japon, les vis JIS sont la norme ; un tournevis Phillips fonctionne aussi, mais a tendance à user plus vite les têtes de vis JIS
- Outils utilisés : Kimwipes/chiffons non pelucheux pour objectifs, alcool isopropylique en spray, nettoyant pour lunettes, chiffon microfibre, gants nitrile, air d’atelier hautement filtré/compresseur sans huile, ruban adhésif, Sharpie, scalpel, spudger en plastique, loupe/optique, JIS x 2.5mm ou tournevis Philips #00, JIS x 3.0mm ou tournevis Philips #0
Démontage
- Lors du démontage, orienter l’objectif de façon à ce que l’indication d’ouverture soit tournée vers l’opérateur et le bord avant de la table
- Retirer d’abord l’entretoise décorative en plastique autour de la lentille arrière, puis les 3 vis mécaniques noires
- Retirer les 2 vis nickelées qui fixent le côté interface de connexion du bloc de lentille en plastique à la monture métallique de l’objectif
- Les vis sont stockées sur du ruban double face selon une disposition alignée avec l’orientation de l’objectif, afin de faciliter le remontage
- Le bayonet de monture et les cales (shim) ont une orientation et un ordre importants, ils sont donc placés sur un ruban séparé
- Comme il y avait un problème de montage sur le boîtier, les cales, l’arrière du bayonet et le corps de l’objectif ont été inspectés pour détecter défauts et contamination de surface, puis toutes les surfaces ont été nettoyées à l’alcool isopropylique
- Le câble flexible du bloc de contacts de l’objectif doit être manipulé avec un soin particulier
- Le bloc de contacts L-mount comporte 10 contacts et est relié au PCB de contrôle par un câble souple en polyimide
- Ce câble flexible se déchire facilement
- Avant de poursuivre le démontage, il faut vérifier au multimètre la continuité de chaque piste
- Si une déchirure est visible, il faut réparer ce câble flexible avant d’aller plus loin dans le diagnostic
- Dans cet objectif, la mesure de continuité n’a révélé aucun défaut du câble flexible
- La coque arrière en aluminium usiné CNC est l’élément suivant à démonter
- 2 straps de masse sont fixés à la coque arrière par des vis mécaniques nickelées
- Leur position se situe approximativement à 2 h et à 7 h
- Le connecteur flexible de l’interrupteur enfichable à 11 h peut être débranché en le faisant bouger avec une pince fine
- 4 vis autotaraudeuses noires à oxyde noir assemblent la coque et le module central en plastique de l’objectif
- Après déconnexion des câbles flexibles, le PCB de contrôle peut être retiré du corps de l’objectif pour une inspection détaillée
- Les vis de fixation du PCB sont 3 vis noires autotaraudeuses situées à 2 h, 7 h et 10 h respectivement
Analyse du PCB
- Le PCB en forme de C est constitué, comme d’autres PCB de contrôle d’objectif, d’un microcontrôleur principal, d’un contrôleur DC-DC, de contrôleurs moteur, d’un oscillateur à quartz et de plusieurs composants passifs
- Sur l’autre face se trouvent des connecteurs FPC (Flexible Printed Circuit), des points de test et un boîtier flash SPI 8 broches juste sous le microcontrôleur principal
- La méthode de vérification d’une panne inconnue sur un PCB commence par remonter la ligne d’alimentation d’entrée
- Identifier où la carte doit recevoir son alimentation
- Repérer où les pistes V+ et Gnd commencent sur le PCB
- Identifier le premier composant alimenté sur la carte
- Comme les couches du PCB et les pistes traversantes peuvent être complexes, il est utile de noter sommairement le cheminement de l’alimentation
- En remontant l’alimentation depuis le bloc de contacts de l’objectif, on distingue sur le flexible de larges pistes correspondant à V+ et Gnd
- Sur ce PCB, le suivi de l’alimentation d’entrée est délicat
- Les grandes pistes du câble flexible sont cachées sous le connecteur FPC
- Elles passent de l’autre côté du PCB par des via
- Les pistes d’alimentation vont vers un petit composant carré noir qui est le convertisseur DC-DC
- L’indice principal du contrôleur DC-DC est la présence à proximité de gros composants blocs brun-jaune, beige et noir
- Le composant marqué “2R2” est une inductance de 2.2µH
- Placer l’inductance près du contrôleur d’alimentation est une recommandation courante des fabricants de semi-conducteurs afin de réduire les émissions rayonnées et le bruit
- Le PCB de l’objectif Sigma utilise un convertisseur Buck TI TPS62140RGTR en boîtier 16-VQFN marqué “PA71 TI 18i”
- L’implantation est très proche de la disposition recommandée dans la datasheet TI, et C1 sert de condensateur de filtrage d’entrée principal du convertisseur DC-DC entre Vin et Gnd
- Sur le rail de tension d’entrée, le boîtier marqué “N” à côté de C1 est un fusible qui protège le convertisseur DC-DC contre les dommages
- La vérification au multimètre a montré que ce fusible était ouvert
- Le fusible a donc protégé le convertisseur DC-DC de la destruction
- La recherche d’un fusible marqué “N” n’a pas donné beaucoup de résultats significatifs, mais AliExpress suggérait un fusible CMS de 2A
- La datasheet du TPS62140RGTR indique un courant de sortie de 2A, et sur la base d’une expérience avec les fusibles CMS Panasonic Semi, le choix s’est porté sur le ERB-RE2R00V, un fusible rapide 2A 32V
- Les appareils Lumix GH3, GH4 et GH5 utilisent un mélange de fusibles 32V 2.5A et 1.5A
- Dans l’électronique photo, un boîtier à 2 bornes ressemblant à une résistance avec un marquage d’une seule lettre est souvent un fusible CMS, parfois avec des bornes en forme de coquille
- Le fusible défaillant est au format 0603, ce qui rend la réparation possible avec un équipement relativement bon marché et peu sophistiqué
- Il existe aussi des fusibles 0402 et 0201
- L’implantation laisse un espace d’accès aux outils de réparation à côté du fusible
- À l’inverse, le fusible d’entrée batterie de la carte mère des Lumix GH3/GH4 est coincé entre le logement de carte SD et le connecteur batterie en saillie
- Avec une pince CMS, le remplacement du fusible est facile, et à défaut deux fers à souder peuvent aussi être utilisés temporairement
- La procédure de réparation consiste à retirer le fusible défaillant, nettoyer les pads, aligner le nouveau fusible, le fixer, puis souder chaque borne
Enquête sur le fusible
- Aucun point de défaillance précis expliquant la panne du fusible n’a été identifié
- Parmi les conditions d’usage envisagées comme cause possible : un appareil laissé pendant des heures ou des jours à chercher la mise au point en mode AFC (autofocus continu) avec l’objectif monté
- Les conditions de fonctionnement de la datasheet TI fournissent des indices pour l’analyse de la défaillance
- Le courant de sortie est limité par la limitation de courant
- À cause du délai de propagation interne, le courant réel peut dépasser cette limite statique pendant cette durée
- ILIMF correspond à la limite de courant direct du MOSFET high-side
- Les conditions de test sont VIN=12V, TA=25°C, avec un minimum de 2.45A, une valeur typique de 3A et un maximum de 3.5A
- En situation de surintensité, le délai de propagation interne peut permettre au courant effectivement consommé de dépasser très brièvement la limite statique
- Si, comme supposé, le concepteur du PCB de l’objectif a bien implémenté un fusible CMS rapide de 2A, alors le contrôleur DC-DC a pu fonctionner en dehors des spécifications de ce fusible
Résultat de la réparation
- Après remplacement du fusible, l’objectif fonctionne normalement
- Les performances AFC ne sont pas extrêmement rapides, mais elles suffisent à confirmer le résultat de la réparation
- La bague de mise au point manuelle fonctionne bien et offre un amortissement agréable à l’usage
- Le ressenti de la bague d’ouverture rappelle celui du Lumix LX100 et est jugé excellent
Dépannage supplémentaire
- Si le fusible avait présenté une continuité, l’élément suivant à vérifier aurait été la tension de sortie du convertisseur DC-DC
- Il faut vérifier que la tension de sortie reste dans les spécifications de fonctionnement
- Il faut aussi vérifier qu’elle n’est ni inférieure ni supérieure aux besoins d’alimentation du microcontrôleur principal
- Le microcontrôleur principal de ce PCB est marqué “341Fy 551486”, mais le composant réel est un Toshiba TMPM341FYXBG
- Microcontrôleur Arm M3 32bit
- Prend en charge de nombreuses fonctions, des périphériques d’E/S et des protocoles de communication pour le contrôle moteur
- Sert de hub de communication principal du PCB de contrôle
- Un microcontrôleur dédié a besoin d’un signal d’horloge précis pour communiquer avec les autres microcontrôleurs et périphériques du circuit
- En repérant un oscillateur à quartz dédié sur le PCB, il est probable qu’un microcontrôleur se trouve à proximité
- Les oscillateurs à quartz traditionnels existent dans de nombreuses fréquences et sont scellés dans un boîtier métallique argenté
- Ils sont couramment disponibles en boîtier CMS ou traversant
- Des oscillateurs MEMS sont aussi possibles, mais un peu plus coûteux et moins courants
- Les oscillateurs MEMS se présentent généralement sous forme de très petits boîtiers carrés réfléchissants de type chip-scale ou flip-chip
- Certains microcontrôleurs intègrent un oscillateur on-chip, mais comme il est moins stable qu’un quartz externe, ce dernier est préféré
- La vérification de l’alimentation d’entrée du TMPM341FYXBG serait l’étape suivante
- Une panne d’un composant situé entre le rail de sortie du contrôleur DC-DC et l’entrée d’alimentation du TMPM341FYXBG pourrait provoquer un dysfonctionnement du microcontrôleur principal
- Le TMPM341FYXBG est en boîtier BGA P-TFBGA113 à pas de 0.5mm, 6×6mm, 113 billes, ce qui ne facilite pas la mesure directe de Vin et Gnd
- Comme il s’agit d’un composant basé sur Arm M3, il est traité comme un composant 3.3V
- La plage de tension de fonctionnement donnée par la datasheet Toshiba est de 2.7 à 3.6V
- Si l’alimentation du microcontrôleur sort de cette plage, ou s’il y a un court-circuit entre Vin et Gnd à proximité, c’est un signal d’alarme
- Une méthode simple pour sonder les tensions en temps réel consiste à rebrancher le flexible de contacts de l’objectif au PCB de contrôle et à imprimer en 3D un faux jig d’objectif pour assurer le contact avec le boîtier
- Sigma publie gratuitement les fichiers STEP de presque tous ses boîtiers et accessoires photo sous forme de modèles GrabCAD
- En laissant le PCB de contrôle en place dans l’objectif monté sur l’appareil, il est possible de sonder le 3.3V sur une large piste près du TMPM341FYXBG
- Si le microcontrôleur reçoit bien une alimentation conforme, un dépannage supplémentaire est nécessaire pour diagnostiquer la panne du PCB de l’objectif
- Les pastilles de test circulaires près du microcontrôleur principal indiquent qu’une programmation et des tests ont eu lieu avant assemblage avec un jig bed-of-nails
- Comme les points de test ne sont pas étiquetés, trouver le bon pad demande des essais
- Sonder les points de test près du microcontrôleur nécessite un analyseur logique
- Si l’on trouve de l’UART sur les broches de test, le décodage de la séquence de bits au démarrage permet de vérifier si le microcontrôleur boote correctement
- Le boîtier flash SPI 8 broches marqué “GD V4CE 2030” est aussi une autre piste d’analyse
- Il n’existe pas de datasheet exacte, mais “GD” est un préfixe d’identification du fabricant de mémoires GigaDevice
- Le boîtier 8 broches est très courant pour les petites mémoires flash externes
- Ce boîtier a une empreinte XY de 3×2mm, très proche du boîtier USON8 LGA8 des datasheets GigaDevice
- Si une défaillance du boîtier flash est suspectée, il est possible de dessouder la puce puis d’en lire le contenu ou de le cloner sur un autre boîtier flash
- L’analyse de cette mémoire flash dépasse le cadre de cette réparation
- Si le microcontrôleur principal fonctionne correctement, certaines valeurs d’entrée comme l’ouverture ou la distance focale peuvent s’afficher sur l’écran LCD du boîtier lorsque le PCB de contrôle de l’objectif est monté
- Même si les valeurs sont incorrectes, certaines données provenant du microcontrôleur de contrôle de l’objectif devraient apparaître à l’écran
- L’élément suivant à vérifier est le contrôleur moteur Rohm BU24020GU, dans le boîtier marqué “U24020 202184”
- Ce composant est configuré comme un périphérique SPI
- SPI est une communication synchrone qui nécessite un signal d’horloge entre le contrôleur maître et le périphérique esclave
- Autour du BU24020GU se trouvent de nombreux composants passifs ainsi qu’un boîtier 4 broches non monté
- D’après la datasheet Rohm, le BU24020GU est lui aussi un composant 3.3V, et sa tension doit donc être vérifiée
- S’il ne reçoit pas une tension comprise entre 2.7 et 3.6V, la puce ne fonctionnera pas correctement
- Ce composant est lui aussi en BGA, donc difficile à sonder
- On peut suivre les chemins d’alimentation voisins en profitant de la convention selon laquelle les pistes d’alimentation sont plus larges que les pistes de signal
- Autour de la puce U24020, on observe 3 groupes de 2 condensateurs reliés à la masse
- Les 2 condensateurs sont des condensateurs de découplage
- Le plus grand se situe généralement entre 0.1µF et 1µF
- Le plus petit est de l’ordre du nanofarad
- C’est une disposition courante pour réduire le bruit sur différentes fréquences
- La datasheet indique que le BU24020GU est un contrôleur moteur 4 canaux, et cet agencement des condensateurs suggère que l’alimentation des quatre canaux est bien présente sur le PCB
- En mesurant entre chaque paire alimentation/masse, on peut vérifier l’état des alimentations nécessaires
- D’après la datasheet, les entrées d’alimentation sont DVDD, MVCC12 et MVCC34
- Les masses sont DVSS, MGND12 et MGND34
- Si le contrôleur moteur reçoit bien 3.3V mais que le moteur de mise au point ne bouge toujours pas lors d’une course complète de focus pull, il faut inspecter optiquement le câble flexible de mise au point
- Les câbles flexibles ont tendance à casser par fatigue lorsqu’ils sont comprimés avec un rayon de courbure trop faible
- Selon le mouvement du câble, le mécanisme de mise au point peut temporairement recommencer à fonctionner, mais cela constitue un faux positif
- Au mouvement suivant du flexible, la communication avec l’objectif peut de nouveau être interrompue
Autres observations sur le PCB de l’objectif
- Les macro-photos du PCB de l’objectif montrent de nombreux petits trous répartis sur toute la carte
- Ces petits trous sont des via traversants, et un grand nombre d’entre eux sont percés dans le polygone de masse de la couche supérieure verte
- Les via servent de chemins de retour pour les composants bruyants du PCB et relient le polygone de masse des couches externes au plan de masse interne
- Si certains emplacements présentent de gros amas de via, c’est à cause du via stitching
- Le via stitching fournit un chemin à faible impédance aux courants de retour induits par les composants très bruyants
- Lorsqu’il entoure un composant ou une zone de PCB bruyants, il peut bloquer la propagation des ondes électromagnétiques jusqu’à une certaine fréquence maximale
- Sur ce PCB, les stitching via n’entourent pas complètement certaines pistes ou composants
- Ils ne forment donc ni une cage de Faraday ni un guard ring
- Ils fournissent toutefois des chemins de retour du bruit qui aident à réduire les EMI rayonnées dans la conception finale
Conclusion
- La réparation a été effectuée il y a environ deux mois, au moment des premières floraisons du printemps dans le nord-est des États-Unis
- L’objectif 45mm continue d’être utilisé pour photographier le jardin et documenter d’autres projets électroniques
- C’est un exemple où un simple composant 0603 a suffi à immobiliser un objectif par ailleurs sain
- Le démontage complet de l’objectif et le remplacement du fusible ont pris moins d’une heure
- La rédaction de ce compte rendu a pris plus d’un ordre de grandeur de temps de plus que la réparation elle-même
1 commentaires
Commentaires sur Hacker News
Les 30 ns de délai de propagation du TPS62140 ne suffisent pas à faire sauter un fusible. Le premier principe d’un fusible, c’est qu’il n’est pas là pour sauver les composants mais pour éviter les incendies, et beaucoup d’ingénieurs modernes semblent l’ignorer
Même un fusible rapide est extrêmement lent par rapport à un semi-conducteur. J’ai déjà vu des transistors griller avant pour “protéger” le fusible. Un fusible sert seulement à éviter les incendies et à ne pas détruire la batterie
Le schéma standard consiste à utiliser un fusible, une pince Zener rapide, et parfois une petite résistance (par ex. 1Ω) ou un condensateur. La résistance limite le courant pour éviter que la Zener ne meure avant le fusible
Sur un appareil USB de 0,5 W, le courant maximal tourne autour de 100 mA, et la chute de tension sur 1Ω est de 100 mV, donc c’est négligeable dans la plupart des cas. Pour les appareils de forte puissance, ça devient plus complexe
Les produits grand public ne sont pas réparés, ce type de protection n’est pas un argument de vente, et il faut gratter chaque centime, donc il n’y a pas de pression du marché pour bien faire les choses. Mais c’est ainsi qu’on faisait autrefois, et c’est encore ainsi qu’on fait là où c’est important. Pour une pièce unitaire ou une petite série, j’ajouterais absolument une vraie protection
En revanche, cette approche ne tient plus quand on descend au niveau des semi-conducteurs
Pour ceux qui ont décroché du monde de la photo depuis un moment, certains objectifs mirrorless actuels peuvent avoir un port USB-C pour recevoir des mises à jour de firmware
Par exemple, les objectifs Tamron peuvent communiquer avec une appli ou un ordinateur via un contrôle filaire ou un dongle sans fil pour modifier le comportement de l’objectif, ainsi que la fonction des boutons physiques et des bagues. On peut aussi ajuster des réglages par paliers pour un rendu stop-motion, du time-lapse ou du stacking
On est loin de l’époque où un objectif n’était que du métal et du verre. Il y a évidemment des inconvénients, mais je considère quand même cela comme un grand progrès. Les photographes ont chacun des besoins différents, donc pouvoir configurer complètement son matériel est une vraie bénédiction, surtout quand la vitesse et l’immédiateté comptent
Bien sûr, il existe encore beaucoup d’objectifs principalement faits de métal et de verre, et on continuera à en concevoir et fabriquer de nouveaux, mais je ne pense pas que ce soit la tendance dominante
Le mirrorless a radicalement redonné de l’intérêt aux objectifs manuels, et une bonne partie des progrès importants en qualité optique, à tous les niveaux de prix, se fait du côté de la mise au point manuelle. On recommence aussi à comprendre la valeur de la personnalité d’un objectif
Le temps dira si ce n’est qu’une étape pour les fabricants chinois avant de passer aux objectifs autofocus. Cet aspect existe clairement, mais on voit aussi beaucoup d’excellentes nouvelles formules d’objectifs chez Cosina-Voigtländer et diverses marques de photo proches du monde du cinéma
En cinéma et en télévision, l’opérateur caméra fait encore généralement la mise au point à la main, souvent via des engrenages fixés à l’extérieur de l’objectif
Quand on est habitué au matériel photo moderne, la mise au point manuelle peut sembler peu pratique et difficile à apprendre, mais les objectifs cinéma ont un charme très old school. Et le toucher est excellent
En plus, il semble que le boîtier puisse gérer ça bien plus facilement. Si on fait des choses bizarres comme un rack focus stop-motion, je me demande pourquoi laisser l’appareil et l’objectif fonctionner séparément. Ça paraît assez pénible
Je dis ça en pensant au Samyang Lens Station. Les utilisateurs ont été suffisamment mécontents, et ils semblent avoir commencé à mettre de l’USB-C sur les nouveaux objectifs
Poser les vis démontées sur du ruban adhésif double face, c’est vraiment une excellente idée. Je vais essayer ça la prochaine fois que je démonterai un appareil électronique
Jusqu’ici je mettais tout dans un récipient, puis je perdais du temps au remontage à retrouver les vis de la bonne taille
En horlogerie, ce n’est pas souhaitable de magnétiser les vis, et j’imagine que c’est similaire pour les appareils photo. Si le magnétisme attire les pièces entre elles, ça peut augmenter la résistance au mouvement
J’ai aussi déjà vu une méthode astucieuse consistant à dessiner l’objet en cours de réparation sur un carton, puis à y piquer les vis à leur emplacement pour suivre où elles vont
Je les pose dans une disposition approximativement conforme à leur emplacement d’origine, de haut en bas, par couches, suivant l’ordre du démontage
C’est une habitude prise en manipulant des ordinateurs portables dans un centre de réparation sous garantie. Il faudra que j’essaie aussi le ruban adhésif
L’auteur dit qu’on peut utiliser un tournevis PH sur des vis JIS, mais d’après mon expérience, j’ai systématiquement fini par foirer les têtes de vis
Cela dit, le travail lui-même est remarquablement bien fait
C’était un site agréable à parcourir. J’adore réparer ou bidouiller des équipements non jetables comme du matériel de laboratoire, des instruments de mesure ou des appareils optiques, et il y a plusieurs articles bien structurés
Heureusement, je ne répare que de vieux objectifs manuels. Les objectifs de l’époque Nikon AI/AI-S font moins peur
J’ai récemment passé un peu de temps à travailler sur la conception et l’assemblage d’objectifs photo pendant une période entre deux emplois. C’était vraiment intéressant et satisfaisant
Ce qui est vraiment dommage, c’est qu’ils n’avaient pas les moyens de me payer assez pour que je reste