Испытатель p-n переходов

Автор: Nijka
Опубликовано 21.09.2017
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2017!"

Испытатель p-n переходов или СтопЛевак!

Вашему вниманию предлагается прибор, позволяющий измерить напряжение пробоя p-n переходов полупроводниковых приборов – биполярных n-p-n и p-n-p транзисторов, биполярно-полевых (IGBT) транзисторов, диодов, стабилитронов и тиристоров. Точно так же прибор можно использовать для определения максимального напряжения сток-исток для MOSFETов с каналами n- и p-типов. Величина испытательного напряжения достигает 3,5кВ, тока – до 3мА, охватывая тем самым практически весь перечень существующих п/п приборов.

На разработку прибора подвигла проблема перемаркированных или некондиционных полупроводниковых компонентов, прпродаваемых как в интернет-магазинах, так и отечественными поставщиками. Помимо несоответствия паспортным усилительным характеристикам, такие компоненты часто не выдерживают даже первого включения, унося за собой кучу «здоровых» деталей. Особенно актуально это для силовых ключей, выходных транзисторов усилителей мощности, выпрямительных вентилей и в других подобных приложениях. И если основные характеристики диодов и транзисторов можно приблизительно оценить с помощью, например, широко распространенного транзистортестера [1], то максимальное допустимое напряжение, на которое реально пригодны эти компоненты, остается неизвестным.

Предлагаемый прибор позволяет определить его.

Ориентирами могут служить такие паспортные параметры, как Uкбо проб (пробивное постоянное напряжение коллектор-база) или Uкэо проб (пробивное постоянное напряжение коллектор-эмиттер при открытой базе) для биполярных транзисторов или Uобр проб (максимально допустимое постоянное обратное напряжение) для диодов. Для измерения этих параметров можно воспользоваться методикой, описанной в действующем ГОСТ 18604.27-86.

Способ измерения, определяемый ГОСТом, заключается в постепенном повышении напряжения на p-n переходе до момента резкого возрастания тока через переход, что соответствует началу электрического пробоя перехода. Такой пробой является обратимым и используется для классификации и разбраковки полупроводниковых приборов. Для обратимости процесса мощность, выделяющаяся на переходе при пробое, должна быть ограничена безопасным значением. Измерение должно проводиться при значении тока, соответствующему паспортному для данного прибора.

В интернете можно найти несколько несложных радиолюбительских устройств для измерения напряжения пробоя p-n переходов, например, [2,3,4].

Эти устройства вполне могут быть применены после устранения некоторых неточностей в их описаниях и схемах. В них использовано ручное регулирование напряжения переменным резистором и визуальный контроль напряжения и протекающего через переход тока. Наиболее критичный узел – высоковольтный вольтметр - должен иметь максимально возможное входное сопротивление для минимизации шунтирования перехода при малых токах. Например, в [4] он выполнен в виде балансного моста на полевых транзисторах. Ограничение тока осуществляется последовательно включенным сопротивлением. Все описанные устройства имеют разные диапазоны тока и напряжения, и при этом не слишком сложные. К числу недостатков можно отнести «ручной» процесс измерений и ограниченные диапазоны величин и применимости каждого устройства.

Предлагаемая разработка автоматизирует процесс измерения до нажатия кнопки, приблизив его к методике, описанной в ГОСТе, и охватывает почти весь практический диапазон максимальных напряжений для полупроводников.

Несмотря на относительную сложность, устройство имеет блочный состав и может быть несколько упрощено исключением того или иного блока с небольшими изменениями схемы соединений. Печатная плата разрабатывалась с учетом такой возможности: функциональные блоки выполнены в виде обособленных фрагментов на плате.

Устройство фактически является прототипом, ориентированным на отладку и обкатку отдельных схемных решений, которые давно хотелось опробовать. Функциональные блоки были предварительно отмоделированы и отмакетированы. И только после того, как все вместе успешно заработало, возникла идея дать устройству общую печатную плату и хоть какой-то корпус. Этим и объясняется его, может быть, не вполне конкурсный внешний вид.

                                   Автоматический испытатель p-n переходов

Как кажется, не стоит перегружать статью детальным описанием печатной платы, монтажа и настройки. Поэтому некоторые разделы будут изложены кратко. Тем не менее, приведенного далее материала вполне достаточно для того, чтобы понять принцип работы устройства и его узлов, оценить потенциальные трудозатраты по изготовлению и настройке и самостоятельно собрать его.

Структура

Функционально устройство состоит из следующих частей:

1. базовый блок в составе: генератор высокого напряжения, управляемый напряжением, измеритель напряжения, измеритель тока;
2. высоковольтный выпрямитель;
3. двухдиапазонный вольтметр с автоматическим выбором предела измерения и высоким входным сопротивлением;
4. генератор управляющего напряжения;
5. детектор окончания испытания;
6. дисплей;
7. задатчик тока (переменный резистор и переключатель 10х);
8. источник питания.

Как это работает?

Испытуемый элемент с соблюдением полярности подключается к выходным клеммам. Задатчиком тока (переменным резистором и переключателем) устанавливается нужная/паспортная величина тока через переход. Нажимается кнопка «Пуск». Напряжение на подключенном элементе (переходе) плавно увеличивается от нуля до наступления пробоя или ограничения по току. Процесс нарастания напряжения отображается в виде прогресс-бара горизонтальными сегментами индикатора (до 16 тактов) и контролируется детектором. При достижении критерия завершения испытания напряжение с выхода снимается, а его значение выводится на четырехразрядный LED-дисплей. Световым индикатором и звуком отображается причина завершения испытания: или достижение предельного тока, или пробой. Наступление пробоя определяется схемой детектора по факту заметного роста тока при неизменном напряжении.

Принципиальная схема базового блока

Управляемый напряжением генератор высокого напряжения (ГУН) собран на микросхеме U402 TL494(594) по обычной схеме. Частота выходных импульсов около 40кГц задана цепочкой C407 R419. Один из входящих в состав TL494 ОУ (выводы 1,2) использован для регулировки напряжения на выходе высоковольтного выпрямителя, второй ОУ (выводы 15,16) – для организации ограничения по току. Для согласования выходов, включенных как эмиттерные повторители, с ключами на полевых транзисторах использован драйвер U403 IR4427. Выходной каскад двухтактный. Повышающий трансформатор обеспечивает необходимое выходное напряжение. В состав базового блока, кроме ГУН, входят также нижнее плечо делителя напряжения с повторителем на ОУ TL082 (U401.1), обеспечивающим высокое входное сопротивление вольтметра, и датчик тока с переключателем диапазона и аналогичным повторителем на ОУ2 (U401.2). Для защиты входов повторителей установлены диодные сборки D401, D402. К выходам повторителей можно подключить внешние измерители для индикации напряжения и тока, исключив из устройства штатный вольтметр и дисплей. Переключатель диапазона тока S401 позволяет установить верхний предел ограничения тока 300мкА или 3мА для проверки соответственно маломощных и мощных полупроводниковых приборов.

Принципиальная схема высоковольтного выпрямителя

 Высоковольтный выпрямитель собран по схеме удвоителя, что обусловлено использованным трансформатором, желанием мотать поменьше витков и достаточно низкой величиной тока нагрузки до 3мА. Схема особенностей  не имеет. На выходе установлен LC-фильтр (L501 C503) и ограничительное сопротивление для предотвращения перегрузки выпрямителя. К сопротивлению, составленному из нескольких резисторов (R502…R507) для обеспечения допустимого рабочего напряжения, подключаются плюсовая выходная клемма прибора и, соответственно, верхнее плечо делителя напряжения вольтметра.

Принципиальная схема детектора окончания испытания

Детектор предназначен для определения и индикации момента начала ограничения напряжения или тока. Состоит из двух практически  идентичных каналов для напряжения и для тока. Так, канал напряжения включает дифференциальный усилитель на ОУ LM358 (U302.1), усиливающий разницу задающего и фактического напряжения для ГУН и пороговый каскад на U303.1, исключающий влияние шумов. Сигнал с порогового каскада поступает на одновибратор на 74НС123 (U305.1), формирующий импульс для генератора управляющего напряжения и сигнал индикации завершения измерения. Аналогично работает и канал тока. Импульсы для генератора управляющего напряжения с выходов обоих каналов поступают на резисторный сумматор (R314, R315) с различными весами, что позволяет в дальнейшем программно определить причину завершения измерения.

Принципиальная схема блока управления

В составе блока  двухдиапазонный вольтметра с автоматическим выбором предела измерения и генератор управляющего напряжения на микроконтроллере.

В проектирование данного блока вмешался и спортивный интерес - собрать функционально насыщенное устройство на 8-ногом контроллере младшего семейства AVR. В итоге ATtiny13 справился. Аппаратных ресурсов и 1 килобайта флеш-памяти хватило даже для не сильно оптимального кода. При этом пришлось задействовать вывод Reset как выход.

В двухдиапазонном вольтметре с автоматическим выбором предела измерения задействованы два канала АЦП и масштабирующий каскад на ОУ OP07 (U201). Измерение напряжения начинается с верхнего диапазона (до 4000В с дискретностью 4В). При измеренном напряжении меньше 300В для повышения точности вольтметр переключается на нижний диапазон (300В с дискретностью 1В). Для обеспечения необходимой точности производится усреднение по 16 отсчетам, чего оказалось вполне достаточно. Резисторы R205, R206 предусмотрены для удобства настройки вольтметра, диоды D201, D202 – для защиты входов микроконтроллера от высокого и отрицательного напряжений с выхода ОУ. Операционный усилитель U201 можно дополнить штатной регулировкой смещения, чего я делать не стал из-за дефицита места на плате, подобрав один экземпляр ОР07 (из трех) по минимальному смещению на выходе при замкнутом входе. Это, конечно, не по фен-шую:), но сработало.

Еще один канал АЦП задействован для контроля и анализа причины завершения измерения. Для этого постоянно контролируется изменение и напряжение на выводе PB2 (pin 7).

Модуль АЦП при измерениях использует напряжение питания контроллера как опорное. Поэтому для повышения точности вольтметра контроллер питается от отдельного стабилизатора на LM2936.

На выводе PB0 (pin 5) организована 8-разрядная аппаратная ШИМ для формирования нарастающего управляющего напряжения для источника высокого напряжения. Напряжение выделяется на ФНЧ (R212,C209,R213,C210) и поступает затем на вход 2 TL494.

Цепь запуска (кнопка «Пуск») в силу ограниченного количества выводов контроллера совмещена с выходом звуковой сигнализации.

И, наконец, вывод PB5/Reset (pin 1) задействован для вывода на цифровой дисплей.

Стоит напомнить, что значение измеряемого напряжения пробоя является более оценочный характеристикой нежели количественной. Поэтому стремиться к суперточности в данном случае не имеет смысла. По этой причине и для упрощения схемы из измеренного напряжения не вычиталось падение напряжения на токоизмерительном резисторе, которое может достигать 3В (на верхних границах диапазонов). При оценке напряжений в десятки и сотни вольт такая погрешность представляется допустимой. Однако все равно прибор позволяет точно подобрать, например, стабилитроны с напряжением стабилизации в десятки или сотни вольт, те же газоразрядные, если от измеренного значения вычесть соответствующее падение напряжения на токоизмерительном резисторе величиной около 1кОм, образованном последовательно соединенными R10 и R11 (например, 3В при токе 3мА или 2В при 2мА)

Принципиальная схема дисплея

Использовано известное решение на сдвиговых регистрах 74НС164 [5], позволяющее организовать вывод на индикатор, задействовав всего один вывод контроллера. Некоторым недостатком такого способа вывода является едва заметное мерцание при смене показаний на дисплее. Оригинальная схема и программа немного доработаны: добавлен четвертый разряд и организовано гашение незначащих нулей.

Принципиальная схема блока питания

Блок питания обеспечивает питание ОУ двуполярным питанием (+-12В) и цифровой части схемы (+5В на 78М05). Поскольку питание всего устройства производится от обычного сетевого адаптера со стабилизированным выходом +12В, 1А, то для получения отрицательного напряжения -12В использован преобразователь на ICL2662(2672), требующий минимального количества внешних компонентов. На входе блока установлен диод, защищающий схему от переполюсовки. Ток, потребляемый всем устройством от адаптера +12В не превышает 300мА.

О конструкции и печатной плате

Вся конструкция размещена в корпусе электроустановочной коробки размером 100х100х30 мм. На верхнюю панель выведены цифровой индикатор, два светодиода детектора, ось переменного резистора – задатчика тока, переключатель диапазонов тока, выходные гнезда и кнопка «Пуск». Малый объем коробки и наличие высоковольтной части потребовал достаточно плотного двустороннего монтажа. Максимально применены компоненты для поверхностного монтажа. Не все соединения удалось развести, и на плате есть несколько соединительных проводников, выполненных проводом МГТФ.

В соответствии с общим замыслом описываемый вариант платы является прототипом для отладки устройства. Все функциональные блоки разведены как отдельные самостоятельные устройства. Соединения (сигнальные и цепи питания) между ними выполнены проводом МГТФ. Так как схема имеет высокоомные цепи, чувствительные к наводкам, разводка общего провода выполнена раздельно для функциональных блоков, что позволяет поэкспериментировать с точками подключения «земли». Высокоомные цепи выполнены возможно короче и удалены от цепей, излучающих помехи. Кроме этого, на плате предусмотрена установка дополнительных компонентов, которые могли понадобиться при настройке или при изменении конфигурации устройства. Вообще-то плату и корпус надо было делать побольше, уж слишком все плотно и не очень удобно.

О примененных деталях

Компоненты использованы преимущественно для поверхностного монтажа, основной типоразмер 0805, SOT23, SOIC. Ничего дефицитного или дорогого в устройстве нет.

В высоковольтном выпрямителе можно использовать любые быстрые диоды на обратное напряжение не менее 2кВ. С501 и С502 в выпрямителе должны быть рассчитаны на напряжение не менее 2кВ, С503 – на вдвое большее. Резистор верхнего плеча делителя вольтметра R501 (100Мом) должен иметь рабочее напряжение не менее 4кВ (например, типа КЭВ). Подходящий повышающий трансформатор на Ш-феррите с сечением керна 6х6мм с секционированным каркасом был найден на плате от ЭЛТ-монитора. Пересчитана и заменена первичная обмотка (8+8 витков d0,5мм), вторичную перематывать не пришлось (около 1200 витков d0,06мм в секциях). Трансформатор по схеме push-pull можно рассчитать и самостоятельно под имеющийся сердечник, воспользовавшись, например, бесплатной программой Lite-CalcIT. Сердечник очень кратковременно, но должен обеспечивать передачу мощности около 10Вт на частоте 40-50кГц. Крайне желательно обеспечить секционную намотку и хорошую межсекционную изоляцию вторичной обмотки.

О настройке

Настройка сводится к подбору резисторов, обозначенных (*) для обеспечения необходимых напряжений в точках схемы. Все напряжения подписаны на схемах и выделены цветом. Для удобства настройки в устройстве предусмотрен отладочный режим, в который можно войти, удерживая при подаче питания кнопку «Пуск». Дальнейшим удержанием ее можно установить желаемое напряжение на выходе высоковольтного выпрямителя с индикацией на LCD дисплее.

О программе

Программа для ATtiny13 написана на ассемблере в AVRStudio и заняла почти всю память программ. Проект можно найти в архиве. Текст содержит достаточное количество комментариев. Так как вывод Reset задействован как порт, предусмотрена возможность внутрисхемного перепрограммирования уже впаянного контроллера в HV-режиме. Для этого на плате разъем для программирования разведен так, что попадание напряжения +12В при HV-программировании на элементы схемы исключено. Фьюзами пин Reset переведен в обычный порт, тактирование от внутреннего генератора 9,6МГц, делитель на 8 выключен.

О применении испытателя

Существует мнение, что таким способом можно измерять и максимально допустимое напряжение неэлектролитических конденсаторов. Я бы не советовал. Сомнительно, что в хорошем конденсаторе с малой утечкой ограничением тока удастся избежать дырки в изоляции при внезапном пробое.

Для испытания маломощных п/п приборов ток ограничения должен быть установлен на диапазоне до 300мкА.

При испытании MOSFETов (или IGBT) вывод затвора необходимо соединить с истоком (или эмиттером) для предотвращения самопроизвольного открытия транзистора. Особо внимательно надо следить за тем, чтобы вывод затвора не был ошибочно подключен к выходной клемме вместо другого вывода: это приведет к порче п/п прибора.

Ошибка в полярности подключения не приведет к порче тестируемого полупроводника: переход просто откроется, и ток будет ограничен.

Так как испытатель является хоть и работающим, но прототипом, его можно улучшить. К примеру, взяв МК с большим числом выводов, можно существенно упростить схему дисплея и индикатора причины завершения испытания. Автономное питание позволит взять прибор с собой в магазин радиодеталей и сразу швырнуть в продавца какие-нибудь паленые 2SC5200. Ну или его напряжение пробоя померять:)

А теперь что-нибудь померяем!

И оценим детальки на предмет соответствия справочным данным

Отечественный КД213Б, по справочнику максимальное обратное напряжение 200В

Неплохой запас.

5TUZ52 из ЭЛТ монитора. По справочнику - 1500.

Есть запас.

отечественный n-p-n транзистор КТ808ГМ удивил:

по справочнику должен всего 70В!

 Аудиофильский 2SC5200 должен по даташиту 230В.

Отличный запас!

 Угадали? Это тоже 2SC5200!!

 Явная подделка.

Ну и еще парочку MOSFETов:

 IRF840. По даташиту должен держать до 500В.

 Экономненько...

 Низковольтный IRF3205. По паспорту - 55В,

 запас так себе, надо с ним поаккуратнее.

На этом надо остановиться, ибо, поверьте опытному коту, заниматься этим можно до бесконечности, глядеть, как бежит прогресс-бар, пищит сигнал и удивляться результатам :)

Ну и напоследок.

Если вас не испугала сложность устройства, то при его наладке и использовании необходимо помнить, что в устройстве присутствует высокое напряжение, опасное для жизни. Треснуть может так, что мало не покажется.

В архиве собраны необходимые материалы для сборки испытателя p-n переходов, в том числе и проект  AVRStudio для ATtiny13.

Ссылки

1. Транзистортестер (https://www.mikrocontroller.net/articles/AVR-Transistortester)

2. Высоковольтный генератор для проверки пробивного напряжения (https://impulsite.ru/viewtopic.php?p=13570)

3. Тестер для определения пробоя транзистора (https://madelectronics.ru/gadget/302/3.24.htm)

4. Переносной вариант измерителя Uкэ.макс (https://www.diagram.com.ua/list/power/power1261.shtml)

Файлы:
архив

Все вопросы в Форум.