Разработка источника питания характериографа для МДП-транзисторов

Пугачев Валерий Игоревич

Разработка источника питания характериографа для МДП-транзисторов

Бакалаврская работа

Электроника. Радиотехника

Дипломы

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5d9f42457966e1055190812d

UUID: 79f70920-cd99-0137-f2e2-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: около 5 лет назад

Просмотры: 24

Пугачев Валерий Игоревич

Источник: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва"

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 4,7 МБ

Поделиться работой

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 7 1 Характериографы 8 1.1 Обзор современных характериографов 8 1.1.1 Характериограф Keithley 4200A-SCS 9 1.1.2 Характериограф ИППП-3 11 1.1.3 Характериограф Л2-100 ТЕКО 12 1.2 Анализ достоинств и недостатков современных характериографов 14 2 Разработка структурной схемы источника питания характериографа 15 3 Разработка электрической принципиальной схемы 16 3.1 Выбор управляющего p-канального транзистора 16 3.2 Разработка схемы управления для p-канального транзистора 17 3.3 Разработка схемы двухтактного усилителя мощности 18 3.4 Выбор измерительного шунта и расчет масштабирующего операционного усилителя 20 3.5 Расчет схемы источника напряжения 21 3.6 Разработка схемы блока питания 24 3.6.1 Разработка структурной схемы источника питания 24 3.6.2 Разработка электрической принципиальной схемы блока питания 25 4 Разработка конструкции источника питания характериографа для МДПтранзисторов 31 4.1 Конструкторский расчет печатной платы 31 4.2 Расчет электрических параметров печатной платы 35 4.3 Разработка печатной платы устройства 37 4.4 Выбор корпуса для разрабатываемого устройства 40 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 42 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 43 ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Cтруктурная схема источника питания характериографа Изм. Лист № докум. 44 Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 5

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Электрическая принципиальная схема источника питания характериографа 45 ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) Печатная плата источника питания характериографа 46 ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Сборочный чертеж печатной платы 47 Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 6

ВВЕДЕНИЕ Характериограф — общее название приборов, предназначенных для наблюдения и исследования характеристик радиоэлектронных устройств и компонентов. Измерительная информация в этих приборах отображается, как правило, на экране в виде кривой или семейства кривых. В данной выпускной квалификационной работе согласно техническому заданию требуется разработать источник питания характериографа для МДПтранзисторов. Необходимо рассмотреть существующие технические решения, провести анализ их достоинств и недостатков. Разработать структурную схему устройства. Провести расчет электрической принципиальной схемы источника питания характериографа, результаты подтвердить моделированием. На основе электрической принципиальной схемы разработать печатную плату устройства. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 7

1 Характериографы В зависимости от функционала, характериографы могут определять не только вольт-амперные характеристики на постоянном токе, но и вольтфарадные характеристики на переменном токе, ёмкость между выводами биполярного транзистора. По сути характериографы представляют собой одновременно источники тока и напряжения и могут включать прецизионные мультиметры. Измеряемые величины для каждого характериографа свои, но можно выделить общие для большинства: минимальный и максимальный ток, как постоянный, так и импульсный; максимальное значение величины постоянного напряжения, подаваемого на прибор. При подготовке к измерению для режима источника тока указываются минимальное и максимальное значение постоянного тока, а также предельное значение импульсного. Может указываться предел величины сопротивления, измеряемой установкой. Для установок обозначатся интерфейсы ввода/вывода. Некоторые модели могут иметь сенсорные ЖК-экраны, для которых прописываются в параметрах характериографа их диагональ и разрешение. 1.1 Обзор современных характериографов В настоящее время существует большое количество характериографов. Они имеют ряд отличительных характеристик: 1) возможность подключения приборов к персональному компьютеру; 2) широкий набор интерфейсов и портов; 3) простые методы настройки параметров и управления работой. Современные характериографы не требуют от пользователя знаний в области программирования. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 8

Рассмотрим основные модели характериографов от различных производителей. 1.1.1 Характериограф Keithley 4200A-SCS Система Keithley 4200A-SCS — универсальная система для измерения вольт-амперных (далее ВАХ) характеристик на постоянном токе, для снятия вольт-фарадных характеристик на переменном токе и в импульсном режиме для полупроводниковых приборов и тестовых структур на пластине в полупроводниковом производстве. Система имеет модульную многоканальную архитектуру и настраиваемую конфигурацию, поддерживая до 9 измерительных и дополнительных модулей. На рисунке 1.1 представлена лицевая сторона Keithley 4200A-SCS. Рисунок 1.1 — Keithley 4200A-SCS вид спереди Система Keithley 4200A-SCS имеет ряд особенностей. Собственная встроенная Изм. Лист рабочая № докум. станция Подпись Дата на базе ОС Windows 7, интерактивная БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 9

пользовательская среда тестирования, библиотека стандартных тестов. Прибор имеет сенсорный 15,6" ЖК монитор высокого разрешения (1920x1080), Широкий набор интерфейсов и портов. В их числе: USB, SVGA, Printer, GPIB, Ethernet, mouse, Keyboard. Поддержка до 9 измерительных модулей одновременно. Прибор обеспечивает измерение ВАХ в диапазоне токов 0,1 фА до 1 А и напряжения от 1 мкВ до 210 В. Измерения на переменном токе в диапазоне до 420 В с разрешением 1 мВ, в частотном диапазоне от 1 кГц до 10 МГц. Система измерения параметров полупроводников Keithley 4200A — это комплекс аппаратных и программных средств. На рисунке 1.2 представлен комплекс аппаратных и программных средств прибора. Рисунок 1.2 — Аппаратные и программные средства Keithley 4200A-SCS Рассмотрим основные характеристики подключаемого модуля. Модуль 4200-SMU используется для снятия ВАХ на постоянном токе. Он обеспечивает максимальное выходное напряжение 21 В при токе 100 мА и 210 В при токе 10 мА. Диапазон тока от 100 нА до 100 мА для генерации и измерения. Диапазон напряжения от 200 мВ до 200 В для генерации и измерения. Стоимость составляет около 3 миллионов 300 тысяч рублей. Это является главным недостатком данного прибора. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 10

1.1.2 Характериограф ИППП-3 ИППП-3 измеритель параметров полупроводниковых приборов предназначен для контроля и исследований ВАХ электронных компонентов, путём их визуального наблюдения на экране ПК в виде графиков или таблиц, расчёта на их основе стандартных параметров исследуемого объекта и отображения функциональных зависимостей этих параметров, запоминания и документирования результатов измерений. ИППП-3 представлен на рисунке 1.3. Рисунок 1.3 — Характериограф ИППП-3 Особенности ИППП-3. Отображение измеренных и расчетных характеристик в виде графиков и таблиц и сохранение таблиц в электронном виде. Наличие библиотеки стандартных тестов для измерения параметров стандартных полупроводниковых приборов. Создание собственного архива эталонных графиков с возможностью наложения эталонной ВАХ на измеренную характеристику. Возможность создания собственных моделей измерения по принципу: изделие, тестируемый элемент, тест. Поддержка портов и интерфейсов USB, mouse, Keyboard, Ethernet. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 11

Данный характериограф позволяет вести измерение и анализ ВАХ в диапазонах токов до 20 А и напряжений до 2000 В. Представлено динамическое отображение графика ВАХ при регулировке напряжения повторяющейся развертки вручную. Прибор позволяет провести однократное измерение ВАХ по внутреннему или внешнему сигналу запуска развертки. В режиме измерителя тока диапазон составляет от 10 нА до 20 А с минимальным шагом в 0,005 нА. В режиме измерителя напряжения диапазон составляет от 0,5 В до 2 кВ с минимальным шагом в 0,2 мВ. В режиме источника напряжения при 20 В максимальный ток составляет 10 А, при 2 кВ ток 0,06 А. Примерная стоимость 2 миллиона рублей. Явными недостатками прибора является стоимость и невозможность прямого подключения к компьютеру. 1.1.3 Характериограф Л2-100 ТЕКО Цифровой запоминающий характериограф полупроводниковых приборов Л2100 ТЕКО компании «ТЕСТПРИБОР» предназначен для визуального наблюдения статических ВАХ полупроводниковых приборов (ППП), измерения напряжений на их электродах и токов в их цепях. Характериограф позволяет исследовать ВАХ полупроводниковых диодов, стабилитронов и стабисторов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров, симисторов и других ППП, а также оптоэлектронных и пассивных компонентов. Прибор представлен на рисунке 1.4. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 12

Рисунок 1.4 — Характериограф Л2-100 ТЕКО Характериограф Л2-100 ТЕКО имеет ряд особенностей. Возможность сохранения до 10 ВАХ в памяти прибора. Прибор поддерживает функцию сравнения исследуемой ВАХ с образцовой. Эти ВАХ выводятся на дисплей одновременно. высокоскоростной Подключение USB-порт. к персональному Возможность компьютеру синхронного через отображения исследуемой ВАХ на экране компьютера. Прибор позволяет сохраненять неограниченное количество ВАХ в формате JPG, PNG, BMP, GIF, TIFF, CSV, XLS при подключении к компьютеру. Поддержка табличных форматов CSV и XLS дает возможность дальнейшей обработки ВАХ в таких редакторах как Microsoft Excel и ORIGIN. Возможность сохранения и восстановления настроек прибора. Для обеспечения работы данных функций связи характериографа и компьютера было разработано собственное программное обеспечение. Прибор обеспечивает максимальный ток 50 А и максимальное напряжение 5 кВ. Из всех рассмотренных приборов Л2-100 ТЕКО является самым дешевым. Прибор приблизительно стоит 400 тысяч рублей. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 13

1.2 Анализ достоинств и недостатков современных характериографов Несмотря на обширное и разнообразное количество характериографов, каждый из них имеет определенные недостатки и не удовлетворяет нашим требованиям: по стоимости; по функциональным возможностям. Поэтому для проведения исследований, измерений и решения соответствующих задач на кафедре принято решение реализовать источник питания характериографа для МДП-транзисторов с помощью программного обеспечения Multisim. Источник питания характериографа обеспечит построение ВАХ МДП-транзисторов; предоставит возможность использования различных режимов исследования; позволит подключаться к персональному компьютеру посредством связи через плату ввода/вывода данных PCI6251. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 14

2 Разработка структурной схемы источника питания характериографа Начальным этапом решения поставленной задачи являлась разработка структурной схемы источника питания характериографа, отражающей взаимосвязь основных узлов. Генератор импульсного напряжения (ГИН) позволяет генерировать импульсы заданной длительности и амплитуды напряжения. Источник напряжения (ИП) задаёт предельное напряжение, необходимое для снятия ВАХ. Регулятор (Р) формирует нужную длину импульса. На испытуемый прибор (ИП) подается сгенерированное напряжение определённой длительности и амплитуды. Информация о напряжении и токе с прибора поступает на масштабирующий усилитель с целью приведения величин к максимально возможному диапазону работы платы PCI6251. Структурная схема представлена на рисунке 2.1. Рисунок 2.1 — Структурная схема устройства Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 15

3 Разработка электрической принципиальной схемы В главе представлены результаты расчетов и моделирования электрических принципиальных схем структурных узлов источника питания характериографа для МДП-транзисторов. Устройство включает p-канальный управляющий транзистор и его схему управления, двухтактный усилитель мощности, схему источника напряжения, измерительный шунт и масштабирующий операционный усилитель, блок питания. 3.1 Выбор управляющего p-канального транзистора В соответствии с заданием, управляющий транзистор должен выдерживать падение напряжения не менее 50 В [4]. Поэтому в качестве p-канального полевого МДП-транзистора выберал IRF9Z34. Его технические характеристики представлены ниже: - максимальная рассеиваемая мощность — 75 Вт; - предельно допустимое напряжение сток-исток — 55 В; - предельно допустимое напряжение затвор-исток — 20 В; - пороговое напряжение включения — 4 В; - максимально допустимый постоянный ток стока — 18 А; - максимальная температура канала — 175 °C; - общий заряд затвора — 34 nC; - сопротивление сток-исток открытого транзистора — 0,14 Ом; - тип корпуса —TO220. Несмотря на высокий допустимый ток стока 18 А, измерение ведется в импульсном режиме, поэтому транзистор не сгорит. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 16

3.2 Разработка схемы управления для p-канального транзистора Данная схема состоит из делителя напряжения и операционного усилителя. Схема представлена на рисунке 3.1. Рисунок 3.1 — Схема управления для p-канального транзистора Делители напряжения — это измерительные устройства, предназначенные для уменьшения измеряемого напряжения в некоторое число раз, называемое коэффициентом деления. На вход резистивного делителя поступает предельное напряжение Uin = 50 В. На неинвертирующий вход операционного делителя, стоящего после делителя можно подать максимум 10 В [7]. Следовательно, делитель рассчитал таким образом, чтобы отмасштабировать входящее на операционный усилитель напряжение в рамки 10 В. Выбрал коэффициент деления k =5. Принял сопротивление резистора R5 = 10 кОм. Тогда сопротивление R4 определяется по формуле: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 17

R 4  R5 , R5 (3.1) R 4  (k  1) R5  40 кОм . (3.2) k Сопротивление второго резистора соответственно R4 = 40 кОм. Ближайший по номиналу к резистору R4 из ряда E24 — 39 кОм. Выбрал по справочнику наиболее подходящие резисторы CF-100 (C1-4) по требуемому номиналу. Резистор R5 взял CF-100 (C1-4) 1 Вт, 10 кОм, 5%, а резистор R4 CF100 (C1-4) 1 Вт, 39 кОм, 5%. Операционный усилитель КР140УД17. Данный операционный усилитель является прецизионным, коэффициентом с усиления малым напряжением напряжения. Имеет смещения и внутреннюю высоким частотную коррекцию. КР140УД17 обладает неплохим сочетанием параметров входных напряжений и тока шума. Обычно данный операционный усилитель применяется в высокоточных измерительных цепях с большим коэффициентом усиления [7]. Технические характеристики КР140УД17: - напряжение питания — ±15 В; - температурный диапазон — 0 °С… +70 °С; - частота — 0,6 МГц; - количество каналов — 1; - напряжение смещения — 0,06 мкВ; - тип корпуса — DIP8. 3.3 Разработка схемы двухтактного усилителя мощности Выходной ток операционного усилителя достаточно мал. МДП- транзисторы имеют паразитные ёмкости. Эти ёмкости замедляют открытые Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 18

транзистора. Поэтому для быстрого открывания транзисторов рассчитал данный усилитель мощности на двух транзисторах [5]. Операционный усилитель работает как повторитель напряжения. Выходное напряжение данной схемы будет равно входному напряжению, что позволит подать на затвор испытуемого транзистора точно такое же напряжение, которое зададим для моделирования ВАХ [2]. Данная схема представлена на рисунке 3.2. Рисунок 3.2 — Двухтактный усилитель мощности на двух транзисторах с ОУ В качестве операционного усилителя в данной схеме выбрал КР140УД17. Данный операционный усилитель является прецизионным и обладает наиболее подходящими параметрами. Характеристики операционного усилителя рассматривались в предыдущем пункте. В схеме используются транзисторы n-p-n и p-n-p структуры [5]. В качестве транзистора n-p-n структуры выбрал 2N6488G. Этот транзистор обладает следующими характеристиками: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 19

- максимальное напряжение коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера (Uкбо макс) — 90 В; - максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и разомкнутой цепи базы (Uкэо макс) — 90 В; - максимально допустимый ток коллектора (Iк макс) — 15 А; - статический коэффициент передачи тока h21э мин — 15; - граничная частота коэффициента передачи тока fгр — 5 МГц; - максимальная рассеиваемая мощность — 75 Вт. Комплиментарным транзистором p-n-p структуры подобрал 2N6491G. Данный транзистор имеет следующие характеристики: - максимальное напряжение коллектор-база при заданном обратном токе коллектора и разомкнутой цепи эмиттера (Uкбо макс) — 80 В; - максимальное напряжение коллектор-эмиттер при заданном токе коллектора и разомкнутой цепи базы (Uкэо макс) — 80 В; - максимально допустимый ток коллектора (Iк макс) — 15 А; - статический коэффициент передачи тока h21э мин — 20; - граничная частота коэффициента передачи тока fгр — 5 МГц; - максимальная рассеиваемая мощность — 75 Вт. 3.4 Выбор измерительного шунта и расчет масштабирующего операционного усилителя Измерительный токовый шунт должен иметь как можно более низкое падение напряжения. Это связанно с тем, что шунт заземлен, а управление pканальным транзистором происходит относительно шунта. В связи с этим, любое напряжение, падающие на шунт будет мешать открытию управляющего транзистора [3]. Это значит, что напряжение падающее на шунте вычитается из напряжения, подаваемого на транзистор. Выберем в роли шунта резистор KNP100 со следующими характеристиками: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 20

- точность — 5 %; - номинальная мощность — 5 Вт; - рабочая температура — -55..155°С. Рассчитал мощность, падающую на шунте при токе 20 А, напряжении 50 В в импульсном режиме со скважностью D = 200 мкс: PШ  I U  D  20  50  (200 106 )  0, 2 Вт . (3.3) Полученная мощность удовлетворяет номинальной мощности выбранного шунта. Масштабирующий усилитель реализован на операционном усилителе К140УД17А [8]. Коэффициент усиления по напряжению равен: K OC  R8  10 . R7 (3.4) Выбрал резистор R7 = 1 кОм, тогда резистор, исходя из формулы R8 = 10 кОм. При напряжении в 1 В на шунте, на выходе ОУ будет 10 В. 3.5 Расчет схемы источника напряжения Выбрал 4 диода MUR840 для диодного моста [6]. Характеристики данного диода следующие: - максимальный непрерывный прямой ток — 16 А; - максимальное падение напряжения — 1,3 В; - максимальное обратное напряжение — 400 В; - максимальный импульсный ток — 100 А; - максимальный обратный ток — 10 мкА; - максимальный диапазон рабочих температур — от – 65 °С до +175 °С. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 21

Ёмкость электролитических конденсаторов подбираются таким образом, чтобы за короткий промежуток времени выдаваемое напряжение источником питания на тестируемый транзистор было неизменным. Время подачи напряжения на МДП-транзистор должно составлять 200 мкс. Это время выбрано с той целью, чтобы не перегреть транзистор и другие элементы схемы, что негативным образом скажется на точности измерения характеристик прибора. Необходимый по условию ток 20 А, напряжение 50 В. Рассчитаем сопротивление схемы для моделирования. Rм  Ёмкость батареи U 50   2,5 Ом. I 20 конденсаторов Сс (3.5) подобрана с помощью схемотехнического симулятора NI Multisim 10. В начальные параметры конденсатора зададим напряжение, с которого будет идти разряд. Напряжение установил равным 50 В. Провел моделирование этой схемы с помощью программного обеспечения NI Multisim 10. Схема представлена на рисунке 3.3. Рисунок 3.3 — Моделирование схемы с рассчитываемой ёмкостью конденсатора в программе NI Multisim 10 Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 22

Результаты моделирования представлены на рисунке 3.4. Рисунок 3.4 — Результат моделирование схемы ёмкости конденсатора в программе NI Multisim 10 Моделирование показало, что необходимая ёмкость электролитического конденсатора Сс=4000 мкФ. За время 200 мкс конденсатор разрядился на величину напряжения равной 1 В Это значит, что подобранная ёмкость полностью подходит под установленные нами задачи. Заменим расчетный конденсатор четырьмя электролитическими конденсаторами С5 – С8 ёмкостью 1000 мкФ каждый. Резистор, идущий после диодного моста, выбирается исходя из необходимости ограничить ток на диоды и на конденсаторы. Для этого на выходе диодного моста поставим резистор R3 = 10 кОм [6]. Общая схема источника питания показана на рисунке 3.5. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 23

Рисунок 3.5 — Общая схема источника напряжения 3.6 Разработка схемы блока питания 3.6.1 Разработка структурной схемы источника питания Для проектируемой установки необходимы питающие напряжения: +15 В, -15 В. Структура источника питания представлена на рисунке 3.6: Рисунок 3.6 — Структурная схема блока питания Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 24

Сетевое напряжение через фильтр Ф1 подается на выпрямитель В1 и преобразуется в постоянное, которое питает инвертор напряжения (ИН). В качестве инвертора используется специализированная микросхема IR53H(D)420. Частота инвертора 20 кГц, задается с помощью RC-цепочки R2, C4 [8]. В качестве нагрузки инвертора выступает импульсный трансформатор. Он имеет две вторичные обмотки с соответствующим напряжением для каждого канала. Переменное напряжение каждого из каналов преобразуется в постоянное с помощью выпрямителей В2 и В3, после чего фильтруются фильтрами Ф2 и Ф3. Каналы, питающие интегральные микросхемы устройства, дополнительно стабилизируются линейными стабилизаторами напряжения СН1 и СН2. 3.6.2 Разработка электрической принципиальной схемы блока питания Рассчитаем мощность, потребляемую от источника питания при работе установки. Потребляемая мощность складывается из общей мощности потребителей: Pпотр  I1 U1  I 2 U 2  22,5 Вт. (3.6) С небольшим запасом примем мощность ИБП равной 25 Вт. Переменное напряжение сети подается через помехоподавляющий фильтр на мостовую схему выпрямления. Входной помехоподавляющий фильтр обладает свойством двунаправленного помехоподавления, т. е. предотвращает проникновение высокочастотных импульсных помех из сети (которые иногда могут иметь к тому же значительную амплитуду) в БП, и наоборот — из БП в сеть. Воспользуемся стандартными параметрами фильтра: C1 = C2 = 0,1 мкФ, Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 25

L1 = 5 мГн. Резистор R1 номиналом 100 кОм предназначен для разрядки конденсаторов С1, С2 после отключения источника питания от сети. Обмотки дросселя L1 имеют одинаковое количество витков и наматываются двумя проводами одновременно. Рассчитаем число витков дросселя w , применив в качестве сердечника ферритовое кольцо марки 2000НМ1 К12×8×3: L1l ср w 4  10 7 S C , (3.7) где L1 — индуктивность дросселя; lср — средняя длина магнитной линии;  — относительная магнитная проницаемость; SC — площадь сечения сердечника. Средняя длина магнитной линии сердечника равна: lср   Dd 12  8   31, 4 мм  3,14 102 м, 2 2 (3.8) где D — внешний диаметр сердечника; d — внутренний диаметр сердечника. SC  h Dd 12  8  3  6 мм 2  6 106 м 2 , 2 2 (3.9) где h — высота сердечника; w1  L1  lср 4 107   SC  5 103  3,14 102  130 вит. 4 107 1223  6 106 (3.10) Вычислим ток I L1 через дроссель: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 26

I L1  PИБП 25   0,114 А, U сет 220 (3.11) где PИБП — мощность источника питания; U сет — сетевое напряжение. Найдём площадь поперечного сечения провода S пр1  S пр 2 , приняв плотность тока равной j = 3 А/мм2: Sпр1  Sпр 2  I L1 0,114   0, 038мм 2 . j 3 (3.12) Откуда найдём диаметр d 2 : d2  4Sпр1   4  0, 038   0, 22 мм. (3.13) Выберем обмоточный провод марки ПЭТ-155-0,25. Выберем диодный выпрямительный мост VD1 марки DF10M. Проведем расчет трансформатора. Напряжение и ток первичной обмотки трансформатора составляют: U1 = ~220 В, I1 = 0,114 А. Напряжения и токи вторичных обмоток трансформатора составляют: 1) U21 = ~21 В, I1 = 0,2 А; 2) U22 = ~21 В, I2 = 0,2 А; U21 и U22 берем с учетом падения напряжения на диодах (по 1 В на каждом) и микросхеме стабилизатора (2,5 В). Найдём значение произведения площади поперечного сечения SC на площадь окна S 0 сердечника трансформатора. SC S 0  Изм. Лист № докум. tИ PГ 2,98 105  25   1,176 109 м 4 , 6 kC k0 jBm 1 0,18  3 10  0,38 Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 (3.14) Лист 27

где t И — длительность импульсов; PГ — габаритная мощность; k C — коэффициент заполнения сердечника; k 0 — коэффициент заполнения окна; B т — индукция. Полученному значению SCS0 удовлетворяет сердечник 7х4х1,5. Рассчитаем количество витков в первичной обмотке: w1  tИU1 2,98 105  220   40 вит. SC kC 2 Bm 4, 4 104 1 0,38 (3.15) Рассчитаем диаметр провода: S1пр  d1  I1 0,114   0, 038 мм 2 , j 3 4  S1пр   4  0, 038   0, 22 мм. (3.16) (3.17) Выберем обмоточный провод марки ПЭТ-155-0,25. Найдём коэффициент трансформации n1 , n 2 для каждого канала: n1  n2  U 21 21   0, 095; U1 220 (3.18) Вычислим количество витков во вторичных обмотках w21 , w22 : w21  w22  w1  n1  40  0,095  4 вит; (3.19) Задавшись плотностью тока в обмотках трансформатора равной j = 3 А/мм2 рассчитаем площадь поперечного сечения провода и его диаметр: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 28

S 21пр  S 22np  d 21  d 22  I 21 0,2   0,066 ( мм 2 ), j 3 4S 21пр   4  0,066  (3.20)  0,3 ( мм). (3.21) Выберем обмоточный провод марки ПЭТ-155-0,3. Расчет выпрямителей. Для первого и второго каналов с учетом падения напряжения на вентилях выпрямителя выпрямленное напряжение будет равно: U d1  U d 2  0,9U1  2  0,9  21  2  16,9 ( В). (3.22) Обратное напряжение на диодах U vm выпрямителя составляет: U vm   2 U 1  1,57  21  33 (B). (3.23) Среднее значение тока через диод I vс равно: I vс  I1 0,2   0,1(A). 2 2 (3.24) По справочнику выбираем диодные мосты VD5 и VD6 для обоих каналов марки DF10M, параметры которых: I  1 A; U обр  1000 B. Выбор линейных стабилизаторов напряжения. По справочнику для стабилизации напряжения в первом и втором каналах выбираем стабилизатор серии LM78M15, параметры которого: U ст  15 В; U BX  17,5  35 В; I max  0,5 A. Расчёт LC-фильтров для каналов +15 и -15 В. Коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя q1 : Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 29

q1  2 2  2  0,67 , m 1 2 1 2 (3.25) где m = 2 — фазность выпрямителя. Требуемый коэффициент сглаживания фильтра: S q1 0,67   2,23. q2 0,3 X C12  X C13  0, 01 RН  0, 01 С12  С13  UН  0,845 (Ом); IН 1  7,8 106 (Ф).   X C8 (3.26) (3.27) (3.28) Выбираем конденсаторы С12 и С13 типа К50-35-25В-10 мкФ. Определим величину индуктивности сглаживающих дросселей L2 и L3: L2  L3  S 2, 23   1, 2 105 (Гн). 5 2 6  C12 (1, 256 10 ) 10 10 2 (3.29) Выбираем дроссели L2 и L3 типа EC24-101K с индуктивностью 15 мкГн. На выходе стабилизаторов напряжения выбираем помехоподавляющие конденсаторы 1 мкФ. Для подавления высокочастотных помех на входе и выходе стабилизатора ставят высокочастотные конденсаторы емкостью 100 нФ. Для разряда емкостей фильтра в случае работы источника питания без нагрузки предусмотрены балластные резисторы R9 и R10 сопротивлением по 10 кОм. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 30

4 Разработка конструкции источника питания характериографа для МДП-транзисторов 4.1 Конструкторский расчёт печатной платы Для проведения конструкторского расчёта имеются следующие данные: – плата односторонняя с размерами 160х100 мм; – материал основания — стеклотекстолит фольгированный марки СФ- 2-35 ГОСТ 10316-78 толщиной 2 мм; – резистивное покрытие — олово-свинец; – шаг координатной сетки — 2,5 мм; – точность выполнения элементов конструкции печатной платы — по первому классу. Согласно таблице 2 [1], первому классу точности соответствуют следующие минимальные значения основных параметров элементов конструкции печатной платы для узкого места: – ширина печатного проводника t′ = 0,75 мм; – расстояние между краями соседних элементов проводящего рисунка S′ = 0,75 мм; – расстояние от края просверленного отверстия до края контактной площадки (гарантийный поясок) b′ = 0,30 мм; – отношение диаметра неметаллизированного отверстия к толщине печатной платы * = 0,4. Номинальные значения диаметров переходных металлизированных и монтажных отверстий определяются по формуле: d '  d Э  r ' d ' НО , (4.1) где dэ — максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 31

устанавливаемого на печатную плату; r' — разность между минимальным значением диаметра отверстия и максимальным значением диаметра вывода устанавливаемого элемента; d'НО — нижнее предельное отклонение номинального значения диаметра отверстия. Конструкция разрабатываемого устройства включает в себя элементы со следующими диаметрами выводов: - 0,8 мм — конденсаторы К50–35, конденсаторы К10–17Б, микросхема TDE1898C_SIP9, микросхемы КР140УД17, диоды КД521А, транзисторы 2N6488G, 2N6491G, трансформатор, резисторы, разъем; - 1,3 мм — диоды КД521А. Значение r' выбирается в пределах 0,1  0,4 мм. Согласно таблице 3.2 [1], значение d'НО для печатных плат первого класса точности составляет 0,1 мм. Для пайки проводов диаметром 0,8 мм: d3 '  0,8  0,2  0,1  1,1мм . (4.2) Для пайки проводов диаметром 1,3 мм: d3 '  1,3  0,2  0,1  1,6 мм . (4.3) Для расчета наименьшего номинального значения диаметра контактной площадки под выбранное отверстие для печатных плат используется следующая формула:  2 DКП  d 'd ' ВО 2  b' t ВО  2    d 'ТР  Td2'  TD2КП  t НО  1 2 , (4.4) где d'ВО — верхнее предельное отклонение диаметра отверстия; t'ВО и t'НО — верхнее и нижнее предельные отклонения диаметра контактной площадки; T 2 — позиционный допуск расположения отверстия; TD2КП — позиционный d' Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 32

допуск расположения центра контактной площадки. Согласно таблицам 3 — 4 [1] для печатной платы, изготовленной по первому классу точности d'ВО = 0,1 мм, Td2' = 0,2 мм; TD2КП = 0,35 мм; t'НО = 0,1 мм. Для отверстий диаметром 0,8 мм получаем:  DКП1  0,8  2  0,1  0,22  0,352  0,12   1,4 мм . (4.5)   1,9 мм . (4.6) 1 2 Для отверстий диаметром 1,5 мм получаем:  DКП1  1,3  2  0,1  0,22  0,352  0,12 1 2 Наименьшее значение ширины проводника рассчитывается по формуле: t '  t 'МД  t 'НО , (4.7) где t'МД — минимально допустимая ширина проводника. Учитывая, что значение t'МД для первого класса точности составляет 0,75 из таблицы 4 [1], получаем: t '  0,75  0,1  0,85 мм . Номинальное значение расстояния между (4.8) соседними элементами проводящего рисунка определяется по формуле: S '  S ' МД  t ' ВО , (4.9) где S'МД — минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 33

Учитывая, что значение S'МД для первого класса точности составляет 0,75 из таблицы 3.1 [1], получаем: S '  0,75  0,1  0,85 мм . Расчёт минимального расстояния для (4.10) прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметрами DКП1 и DКП2 производят по формуле: l'  где Т'l — ( DКП1  DКП2 )  t 'n  S '(n  1)  T 'l , 2 позиционный допуск расположения (4.11) печатного проводника относительно соседнего элемента проводящего рисунка. Согласно таблице 8 [1], значение Т'l для односторонних печатных плат первого класса точности составляет 0,2 мм. Таким образом, для n = 1 и DКП1 = DКП2 = 1,3 мм получим: l '1  (1,3  1,3)  0,85  0,85  (1  1)  0,2  4,05 мм . 2 (4.12) Проведение анализа результатов конструкторского расчёта печатной платы источника питания характериографа для МДП-транзисторов, показывает, что результаты полученные в ходе расчета удовлетворяют требованиям топологии рисунка печатной платы. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 34

4.2 Расчет электрических параметров печатной платы Ключевую роль в схемах занимает вопрос связи между отдельными элементами. Требуется определить не только параметры линий связи, но также и влияние, оказываемое ими друг на друга. Электрическое сопротивление проводников с покрытием определяется по формуле: R  m' L'i i 1 i  h' t ' , (4.13) где ρ — удельное электрическое сопротивление; h' — толщина печатного проводника с покрытием; m' — количество участков печатного проводника, имеющих различную ширину; L'i — длина i-ого участка; t'i — ширина проводника на i-ом участке. Определим электрическое сопротивление проводника «земли». В этом случае при ρ = 1,72·10-8 Ом/м, h' = 50·10-6 м, t' = 7,5·10-4 м L = 0,13 м, получаем: R 1,72  108  0,13  0,006Ом . 50  10 6  7,5  103 (4.14) Допустимая нагрузочная способность по току на элементы проводящего рисунка рассчитываются из условия допустимого превышения температуры окружающей среды. Для медного печатного проводника толщиной 35 мкм, шириной 0,75 мм при нагреве на 20 0 С она составит 1,5 А, что следует из рисунка 3.4 [1]. Величина допустимого рабочего напряжения между элементами проводящего рисунка для S’ = 0,75 мм, согласно ГОСТ 23751-86, равна 350 В. Допустимое падение напряжения на проводнике вычисляется по формуле: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 35

U    L'i h't ' I , (4.15) где I — ток через проводник. Ток протекающий по данным проводникам не превышает 0,159 А, тогда: U  0,006  0,159  0,00095В . (4.16) В данной схеме допустимое падение напряжения в цепях «питание» и «сигнал» не должно превышать 1—2% от номинального. Полученные в ходе расчетов результаты удовлетворяют установленному требованию. Для определения помехоустойчивости устройств электронной техники на ПП, необходимо рассчитать емкостную и индуктивную составляющие паразитной связи, которые зависят от паразитной емкости СП между печатными проводниками и паразитной взаимоиндукции М между ними. Паразитная емкость между двумя печатными проводниками определяется по формуле: CП  CПОГ  lПЕР , (4.17) где СПОГ — печатная емкость связи между двумя проводниками, lПЕР — длина взаимного перекрытия проводников. Паразитная емкость между проводниками, имеющими наибольшую длину перекрытия 90 мм, при СПОГ =0,3 пФ/мм будет рассчитываться по следующей формуле: CП  0,3  90  27пФ . (4.18) Индуктивность печатного прямоугольного проводника вычисляется по формуле: Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 36

LПР  LПОГ  lПП , (4.19) где LПОГ — погонная индуктивность плоского прямоугольного проводника; lПП — длинна печатного проводника. Определим индуктивность наиболее длинного проводника, при lПП = =178 мм, LПОГ = 10 нГн/мм, рис. 3.8 [1]: LПР  10 178  1,78мкГн , (4.20) Взаимоиндукция между печатными проводниками рассчитывается по формуле: M ПП  M ПОГ  l ПЕР , (4.21) где МПОГ — погонная взаимоиндукция. Определим взаимоиндукцию между проводниками, имеющие наибольшую длину перекрытия, при МПОГ = 3,5 нГн, lПЕР = 90 мм: M ПП  3,5  90  315нГн . (4.22) 4.3 Разработка печатной платы устройства В соответствии с техническим заданием произведем разработку печатной платы установки. Проектируемую печатную плату будем изготавливать прямоугольной формы с габаритными размерами 160х100 мм. В качестве материала основания будем использовать двусторонний фольгированный стеклотекстолит марки СФ-2-35 ГОСТ 10316-78 толщиной 2 мм. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 37

Благодаря своим оптимальным электрическим, химическим и механическим характеристикам, относительно общей распространенности и стоимости других марок стеклотекстолита, был выбран именно этот. Толщина материала 2 мм соответствует требованиям условий эксплуатации к механической прочности печатной платы. После формирования печатного рисунка плату необходимо покрыть сплавом «Розе» для улучшения способности к пайке и сохранения электрических параметров проводников. Также этот сплав предотвращает окислительные процессы. Сборочный чертёж и чертёж печатной платы, дающие полное представление о конструкции печатной платы, приведены в Приложении В, Г. С помощью программного обеспечения National Instruments Ultiboard в соответствии с произведенными в предыдущих пунктах расчетах, произвел размещение компонентов на печатной плате. Сделал трассировку печатных проводников. Разработанная плата с помощью программного обеспечения NI Ultiboard представлена на рисунке 4.1. Рисунок 4.1 — Печатная плата разрабатываемого устройства Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 38

Трехмерное изображение платы проиллюстрировано на рисунке 4.2. Рисунок 4.2 — 3D модель верхней стороны печатной платы Трассировка дорожек с обратной стороны платы показана на рисунке 4.2. Рисунок 4.3 — 3D модель обратной стороны печатной платы Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 39

Изучение и анализ технического задания на разрабатываемое устройство, в состав которого входит проектируемая печатная плата, а также анализ схемотехнических решений и общей конструкции устройства, позволяет сделать выбор и обоснование основных параметров печатной платы. Невысокая плотность позволяет изготовить её в соответствии с первым классом точности выполнения элементов печатного рисунка. Печатные платы 1—2-го классов точности просты в исполнении, надёжны в эксплуатации и имеют минимальную стоимость, 3—5 классов требуют использования высококачественных материалов, инструмента и оборудования. 4.4. Выбор корпуса для разрабатываемого устройства Для защиты устройства от воздействий окружающей среды; снижения конечной стоимости изделия выбрал корпус для характериографа. Корпус должен соответствовать габаритным показателям готовой печатной платы; иметь небольшой запас объема для монтажа в корпус. Подобрал готовый корпус G2018С. Внешний вид корпуса представлен на рисунке 4.4. Рисунок 4.4 — Внешний вид корпуса G2018С Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 40

Он обладает следующими характеристиками: - материал — поликарбонат; - высота корпуса — 90 мм; - длина корпуса — 240 мм; - ширина корпуса — 160 мм; - температурный диапазон — от –40°С до +125°С. Корпус комплектуется прозрачной крышкой. Крышка даст возможность легкого доступа к плате устройства, а прозрачность повысит безопасность устройства, благодаря визуальному доступу внутренних элементов. Корпус обладает защитой IP 65. Эта степень защиты гарантирует полную недоступность во внутрь корпуса пыли и струй воды. У корпуса высокая ударная прочность. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе соответствии с выполнения техническим выпускной заданием квалификационной разработан работы источник в питания характериографа для МДП-транзисторов. Рассмотрены наиболее распространенные существующие технические решения характериографов. Проанализированы их достоинства и недостатки. Разработана электрическая принципиальная схема проектируемого устройства, при помощи программного обеспечения sPlan 7.0. В программной среде NI Multisim 10.0 выполнено моделирование схемы. При помощи программного обеспечения NI Ultiboard 10.0 разработана топология печатной платы на основе электрической принципиальной схемы. Печатная плата обладает следующими геометрическими размерами: длина — 160 мм, ширина 100 мм. Был подобран корпус устройства, подходящий по габаритным размерам. Разработанное устройство позволяет снимать вольт-амперные характеристики МДП-транзисторов. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 42

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1 ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. – Москва: Изд-во стандартов, 2009. – 6 с. 2 Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В., Кваснюк А. А. Силовая электроника: учебник для вузов / Ю. К, Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Кваснюк. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 632 с. 3 Гуртов В. А. Электронные процессы в структурах металл - диэлектрик – полупроводник. / В. А. Гуртов. – Петрозаводск, 1984. – 116 с. 4 Гуртов В. А. Полевые транзисторы со структурой металл - диэлектрик – полупроводник. / В. А. Гуртов. – Петрозаводск, 1984. – 92 с. 5 Степаненко И. П. Основы теории транзисторов и транзисторных схем. / И. П. Степаненко. – М.: Энергия, 1977. – 671 с. 6 Пасынков В. В. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. – СПб.: Лань, 2002. – 480 с. 7 Нестеренко Б. К. Интегральные операционные усилители: Справочное пособие по применению. / Нестеренко Б. К. – М.: Энергоиздат, 1982. – 128 с. 8 Крекрафт Д., Джерджли С. Аналоговая электроника. Схемы, системы, обработка сигнала / Д. Крекрафт, С. Джерджли – пер. с англ. – М.: Техносфера, 2005. – 360 с. Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 43

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Структурная схема источника питания характериографа Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 44

ПРИЛОЖЕНИЕ Б (обязательное) Электрическая принципиальная схема источника питания характериографа Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 45

ПРИЛОЖЕНИЕ В (обязательное) Печатная плата источника питания характериографа Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 46

ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Сборочный чертеж печатной платы Изм. Лист № докум. Подпись Дата БР-02069964-11.03.04-14-19 Лист 47

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв