Разработка малогабаритного измерителя времени обратного восстановления быстро восстанавливающихся диодов средней мощностиРазработка малогабаритного измерителя времени обратного восстановления быстро восстанавливающихся диодов средней мощности

Зубков Максим Константинович

Разработка малогабаритного измерителя времени обратного восстановления быстро восстанавливающихся диодов средней мощностиРазработка малогабаритного измерителя времени обратного восстановления быстро восстанавливающихся диодов средней мощности

Бакалаврская работа

Приборостроение

Дипломы

Вуз: Мордовский государственный университет имени Н.П. Огарева

ID: 5bbdcc697966e104f1dd9ee8

UUID: 73589480-aea0-0136-cdb0-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: около 6 лет назад

Просмотры: 6

Зубков Максим Константинович

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

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 5,0 МБ

Поделиться работой

БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 7 1 Схемы измерения времени обратного восстановления диодов 8 2 Выбор принципиальной схемы 13 2.1 Описание функционирования принципиальной схемы 15 2.2 Разработка топологии печатной платы 19 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 20 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 21 ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное) Схема электрическая принципиальная 21 ПРИЛОЖЕНИЕ Б(обязательное) Топология печатной платы 22 ПРИЛОЖЕНИЕ В(обязательное) Схема размещения элементов 23 ПРИЛОЖЕНИЕ Г (обязательное) Перечень элементов 24 ПРИЛОЖЕНИЕ Д (справочное) Параметры транзисторов 25 БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 6

ВВЕДЕНИЕ Важнейшей областью технического применения полупроводниковых диодов является их использование в импульсных электронных схемах. В этих схемах полупроводниковый диод должен обладать свойствами идеального электронного ключа, который характеризуется малым сопротивлением в пропускном направлении, высоким сопротивлением в запорном направлении и мгновенным переключением из одного состояния в другое. Однако, реальные диоды отличаются от идеального ключа тем, что при изменении режима в них протекают переходные процессы, ограничивающие быстродействие импульсных схем, в которых они используются. Основным параметром, характеризующим свойства быстровосстанавливающихся диодов, является время восстановления обратного сопротивления диода или, проще говоря, время обратного восстановления tвос. Целью данной работы является разработка схемы устройства для измерения времени обратного восстановления диодов, что позволит осуществлять контроль над параметрами конкретной полупроводниковой структуры при ее производстве. БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 7

1Схемы измерения времени переключения Методика измерения параметра tвос. с 1954 г., когда она была описана в литературе, и до настоящего времени, в основных отличительных чертах остается неизменной. Блок схема измерения времени восстановления, логически вытекающая из определения этого параметра, представлена на рисунке 1. Рисунок 1 – Блок схема измерения времени восстановления Генератор, задающий режим переключения, должен обеспечить протекание необходимого прямого тока через диод и резкое(с длительностью фронта tфр.<<tвос.) переключение его на обратное напряжение Uобр..В подавляемом большинстве практически используемых схем через диод протекает постоянный прямой ток, на который накладываются запирающие импульсы длительностью 1-10 мкс. Наряду с этим используются генераторы, в которых прямой и обратный токи задаются импульсами, а так же такие, в которых испытуемый диод запертым постоянным обратным напряжением, а прямой ток задается относительно коротким отпирающим импульсом. Последний вид БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 8

переключения используется главным образом тогда, когда диод измеряется в режиме переключения столь больших по амплитуде токов, длительное протекание которых через диод не допустимо. Наибольшие трудности при измерении параметра tвос.возникают из-за необходимости отсчета временного интервала на уровне очень малого обратного тока jвос.. Для повышения чувствительности и обеспечения возможности наблюдения и измерения на экране осциллографа малого обратного тока сигнал необходимо усиливать, но при этом усиленный сигнал от токаjпр. + jв. перегружает усилитель вертикального отклонения осциллографа, нарушая его линейность. Для устранения этих затруднений различными путями ограничивают на некоторых уровнях прямой и обратные токи и вырезанную таким образом часть осциллограммы, лежащую вблизи нулевой линии токов, усиливают и просматривают на осциллограмме. На рисунке 2 показаны три наиболее распространенные схемы измерения времени восстановления диодов среднего быстродействия:JAN-256 (рисунок 2а), Modified IBM-Y-test (EIASP-590)(рисунок2б) и схема Национального бюро стандартов США (рисунок 2в). Наименование этих схем дается здесь в связи с тем, что в зарубежной практике принято наряду с приведением значения времени восстановления на тот или иной диод указывать и схему его измерения. Для двух первых схем характерно применение вакуумного или полупроводникового диода, шунтирующего сопротивлением нагрузки при протекании прямого тока. Поскольку прямое сопротивление вакуумного диода порядка 102 Ом, величина Rн обычно выбирается достаточно большой (1-2 кОм). Таким образом, сопротивление нагрузки оказываетсяв несколько десятков раз меньше при протекании прямого тока, чем при протекании обратного, иными словами, для этих схем характерно резкое различие токовых масштабов при протекании через диод токов резкого направления. БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 9

Рисунок 2 – Принципиальные схемы измерения времени восстановления обратного сопротивления: а – схемаJAN-256, б – схемаModifiedIBM-Ytest (EIASP-590),в–схема Национального бюро стандартов США БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 10

Емкость, шунтирующая сопротивление нагрузки, включая и емкость монтажа, обычно устанавливается равной 10пФ и при необходимости специально подстраивается до этой величины. Использование на выходе схем катодных повторителей делает установки нечувствительными к длине кабеля, соединяющего их с осциллографом. Цепочка диодов Д2-Д5 (рисунок 2,а) выполняет, по сути дела, роль низковольтного стабилитрона – поддерживает напряжение на входе схемы, равное единицам вольт, независимо от величины прямого тока. Таким образом, исключается необходимость в большой амплитуде запирающего импульса. Используемая в катодной цепи (рисунок2,б) батарея1,5В с помощью низкоомного делителя позволяет сбалансировать остаточный ток вакуумного диода. Попытка избавиться от шунтирующего диода сделана в схеме, которая приведена на рисунке2в.В этой схеме шунтирующий диод постоянно смещен в обратном направлении, а прямой импульс, открывающий его, переводит вакуумный триод в режим отсечки, чем и достигается ограничение прямого импульса на экране осциллографа. Эта схема, вероятно, наиболее точная из всехпредставленных на рисунке 2, однако быстродействие ее также относительно невелико, что связано с необходимостью попеременного переключения лампы в режим отсечки. В 2004 г. Тогатовым В.В.иГнатюком П.А.была предложена новая схема для снятия переходных характеристик и измерения параметров ультрабыстрых диодных структур в различных исполнениях.Особенностью прибора является возможность измерений в наносекундном диапазоне. Управление процессом измерения, а также обработка, отображение и хранение информации осуществляется с помощью персонального компьютера. На рисунке 3 приведена эта современная электрическая схема. Схема состоит из формирователей импульсов прямого и обратного токов, подключенных непосредственно к испытуемому диоду D.U.T. Первый построен на транзисторе Q2 по схеме источника стабильного тока с регулирующим усилителем U3 в цепи обратной связи. Сам источник тока по отношению к БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 11

нагрузке (диоду D.U.T.) включен по схеме модулятора с частичным разрядом накопительной емкости C4. Последняязаряжается в паузе между импульсами от регулируемого источника до напряжения VPWR. Индуктивность L2, включенная последовательно в цепь источника прямого тока, осуществляет импульсную развязку цепей формирователей. При этом величина L2 совместно с величиной VPWRопределяют скорость нарастания прямого тока dif+/dtпри измерении VFM. Рисунок 3 – Схема регистрации переходных характеристик Формирователь импульсов обратного тока построен на транзисторе Q1, который подключает обратное напряжение VRк индуктивности L1. Транзистор Q1 управляется драйвером U1, осуществляющим усиление входного сигнала по мощности, а потенциальная развязка цепи входного сигнала с цепью затвор-исток Q1 обеспечивается оптопаройU2. Конденсатор C2 заряжается от БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 12

регулируемого источника напряжения VR, величина которого совместно с величиной L1 определяют значение dif–/dtпри измерении trr. Демпфирующий диод D1 создает дополнительный контур тока после восстановления испытуемого диода D.U.T. Импульсы прямого и обратного токов через диод снимаются с шунта R9, а импульсы напряжения на диоде – с катода D.U.T. 2 Выбор принципиальной схемы В качестве разрабатываемого прибора было выбрано устройство, которое описано в статье М. П. Клебанова. Его отличительной особенностью является диапазон значений токов переключения (прямого и обратного) – около 1 А и возможность наблюдения процесса восстановления обратного сопротивления диодной структуры за время 100 нс и более. Кроме того, прибор прост, содержит минимально необходимое количество компонентов, имеет небольшие габариты. Схема устройства приведена на рисунке 4. Задающий генератор (мультивибратор) собран на импортной микросхеме сдвоенного одновибратора CD4098BE. Рисунок 4 – Принципиальная схема устройства для измерения времени обратного восстановления диодов БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 13

На выходе 7формируется положительный импульс (уровень UП1) длительностью около 0,2 мкс и отрицательный (уровень UП2) – 0,8 мкс. Выбранные длительности обеспечивают установление стационарного значения прямого тока и спад обратного тока для опытных образцов быстровосстанавливающихся диодов со временем восстановления меньше 0,1 мкс. Импульсы генератора подаются на эмиттерный повторитель на комплементарной паре VT1 и VT2. К выходу повторителя подключены затворы комплементарной пары мощных МДП-транзисторов с индуцированным каналом VT3 и VT4. Транзисторы VT3 и VT4 формируют импульсы прямого и обратного токов через исследуемый диодVD. Прямой ток определяется напряжением источника питания UП1, сопротивлением R2, сопротивлением токоизмерительного резистора R3 и сопротивлением канала открытого pканального транзистора VT3. Импульс обратного тока задается напряжением источника питания UП2, сопротивлениями R2 и R3, и сопротивлением канала n-канального транзистора VT4 в открытом состоянии. Таким образом, измерение времени переключения проводится при почти одинаковых значениях прямого и обратного токов. Этот режим является оптимальным при оценке качества большинства структур. Конструкция прибора обеспечивает минимальную длину и индуктивность соединений в цепи от источников питания до входа осциллографа. Схема размещена в компактной коробке, которая непосредственно подсоединяется к осциллографу. Для уменьшения собственной индуктивности резисторы R2 и R3 собраны из нескольких соединенных параллельно резисторов типа МЛТ-1. Питание устройства осуществляется от стабилизированного источника, обеспечивающего средний ток 1 А и импульсный – 2-3 А. Нестабильность тока во времени и при смене исследуемых структур не превышает 5%. Рекомендуется применять осциллографы с временем развертки не менее 20 нс на деление. БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 14

2.1 Описание функционирования принципиальной схемы Микросхема мультивибратора вырабатывает на выходе 7 прямоугольные импульсы, длительность которых задается RC-цепочками. Зависимости сопротивления и емкости от времени импульса показаны на рисунке 5 и рисунке 6. Так как микросхема генератора обладает небольшой нагрузочной способностью, данные транзисторы предназначены для максимально быстрого заряда (транзистор VT1) и разряда (транзистор VT2) входных емкостей (совокупность емкостей переходов затвор-исток и затвор-сток) МОП- транзисторов. Стоит отметить, что транзисторные ключи VT3 и VT4 также выступают в качестве усилителей тока. , Ом R, Ом Рисунок 5 – Зависимость сопротивления от длительности импульса T, c БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 15

С, пФ Рисунок 6 – Зависимость ёмкости от длительности импульса T, Для формирования импульсов положительной полярности длительноc стью 1 мкс, были выбраны следующие номиналы элементов: R1-1 = 5 кОм, C1-1 = 22 пФ. Для формирования импульсов отрицательной полярности длительностью 2 мкс, были выбраны следующие номиналы элементов: R1-2 = 5 кОм, C1-2 = 100 пФ. Далее сигналы подаются на эмиттерный повторитель на комплементарной паре VT1 и VT2, который выступает в качестве усилителя тока. Так как микросхема генератора обладает небольшой нагрузочной способностью, данные транзисторы предназначены для максимально быстрого заряда (транзистор VT1) и разряда (транзистор VT2) входных емкостей (совокупность емкостей переходов затвор-исток и затвор-сток) МОП- транзисторов. Стоит отметить, что транзисторные ключи VT3 и VT4 также выступают в качестве усилителей тока. При подаче напряжения отрицательной полярности транзистор VT4 находится в закрытом состоянии, а транзистор VT3 – в открытом. Поэтому ток будет протекать от положительной шины питания, через токоограничивающие резисторы, через диод, резистор R3 на общую шину. В результате БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 16

чего падение напряжения на диоде составит приблизительно 1 В. При смене полярности прикладываемого напряжения транзистор VT3 перейдет в закрытое состояние, а VT4 будет находиться в открытом состоянии. Ток через диод потечёт в обратном направлении: с общей шины, через резистор R3, через диод, через токоограничивающие резисторы R2 и на отрицательную шину питания. Цепочка параллельно соединенных резисторов R2-1, R2-2, R2-3 предназначена для ограничения тока через диод, а падение напряжения на резисторах R3-1, R3-2, также включенных параллельно, позволяет наблюдать осциллограмму и измерять длительность переходных процессов по току. Рассчитаем цепочку параллельно соединенных резисторов R2-1, R2-2, R2-3. Резисторы имеют одинаковое сопротивление, следовательно: 1 1 1 1 3     ; R2 R21 R22 R23 R21 R2  R21 ; 3 U R 2  U П  UVD  U Rdson  U Ш  7,5  1  1  0,5  5В; № докум. Подпись Дата (3) (4) R21  3  R2  3  5  15Ом; (5) R21  R22  R23  15Ом, (6) БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Лист (2) U R2 5   5 Ом; IН 1 R2  Изм. (1) Лист 17

где UШ – падение напряжения на шунтировочном резисторе, URdson – падение напряжения на канале полевого транзистора. Падение напряжения на резисторе выбрано таким, чтобы на нем выделялась малая мощность потерь. Также, необходимо рассчитать мощность потерь на резисторах R2-1, R2-2, R2-3. Она составит: t  trr  1  0,2  0,6 I  PR 21   Н   R21      15  1,33 Вт; 3 T 3 1     2 2 PR 21  PR 22  PR 23  1,33 Вт. (7) (8) t –длительность импульса, trr –время обратного восстановления, T –период импульса. Рассчитаем сопротивления шунтировочных резисторов: 1 1 1 2    ; R3 R31 R32 R31 R3  R2  R31 ; 2 U Ш 0,5   0,5 Ом; IН 1 R31  2  R3  2  0,5  1Ом; R31  R32  1Ом. (9) (10) (11) (12) (13) Также, необходимо рассчитать мощность потерь на резисторах R3-1, R3-2. Она составит: БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 18

 I  t  trr  1  0,2  0,6 PR 31   Н    R31      1  0,2 Вт; T 1  2  2 2 2 PR31  PR32  0,2 Вт. (14) (15) 2.2 Разработка топологии печатной платы На основе принципиальной схемы (см. рисунок 4) при помощи программного обеспечения Sprint-Layout 6.0 была создана однослойная топология печатной платы. Она обладает следующими геометрическими размерами: длина – l = 67 мм, ширина – b = 57 мм. Исходя из этих данных, можно определить площадь шаблона: S  l · b  67 · 57  3819 мм2 . (16) Помимо общей длины и ширины шаблона на топологии также указаны размеры токопроводящих дорожек. Их ширина прямо пропорционально зависит от величины протекающего тока. На рисунке 7 изображена полученная топология с помощью программного обеспечения Sprint-Layout 6.0 Рисунок 7 – Топология печатной платы БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ В процессе выполнения выпускной квалификационной работы, в соответствии с заданием, проделана следующая работа и получены следующие результаты: Посредством программного обеспечения sPlan 6.0 нарисована принципиальная схема устройства для измерения времени обратного восстановления диодов. На основе принципиальной схемы разработана топология печатной платы в программном обеспечении Sprint-Layout 6.0. Она обладает следующими геометрическими размерами: длина – l = 67 мм, ширина – b = 57 мм, площадь –S = 3819 мм2. Электрические параметры устройства: напряжение питания +Uп = 3,4 – 9,3 В, -Uп = 1,4 – 8,6 В, длительность положительного импульса около 0,2 мкс, длительность отрицательного импульса примерно 2 мкс, времена переключения 0,1 – 1мкс. Вывод: с помощью данного прибора можно измерять время обратного восстановления в диапазоне токов Iн = 0,25 – 1 А и в диапазоне времен обратного восстановления от 100 до 1000 нс. БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Клебанов М. П. Устройство для измерения времени переключения биполярных полупроводниковых приборов / М. П. Клебанов // Электронная промышленность. – 1996. – № 2. – С. 28. 2. Пасынков В. В. Полупроводниковые приборы: учебник для вузов / В. В. Пасынков, Л. К. Чиркин. – М. :Высш. шк., 1987. – 479 с. 3. Тогатов В. В. Прибор для регистрации переходных характеристик диодных структур / В. В. Тогатов, П. А. Гнатюк // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. – 2004. – №15. – С. 358-364. 4. Гаман В. И. Физика полупроводниковых приборов : учеб.пособие для вузов / В. И. Гаман. – Томск: Изд-во НТЛ, 2000. – 426 с. 5. Носов Ю.Р. Полупроводниковые импульсные диоды : учеб.пособие для вузов / Ю. Р. Носов. – М.: Московская типография №10, 1965. –224с. 6. CD4098 Types [Электронныйресурс]. // TexasInstruments. – 2004. – Режим доступа: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cd4098b.pdf БР – 02069964 – 12.03.01 – 5 – 18 Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 21

Перв. примен. • Граничное напряжение при Iэ = 10 мА, Iб = 0, не менее:20 В • Ток К-Э (обратный)при Uкэ = 30 В, не более:0.05 мкА • Ток коллектора (обратный), не более: при Uкб = 30 В Справ. № T = +25°C0.015 ÷ 0.05 мкА T = −40°C0.015 мкА T = +85°C5 мкА • Ток эмиттера (обратный). Uэб = 5 В, не более: 10 мкА • Ёмкость коллекторного перехода. Uкб = 5 В, не более:6 пФ Предельные эксплуатационные характеристики транзисторов КТ3102 Подпись и дата • Напряжение К-Э (постоянное): 30 В Инв. № дубл. • Напряжение К-Б (постоянное): 30 В • Ток коллектора (импульсный) при tи ≤ 40 мкс, Q ≥ 500200 мА • Постоянное напряжение Э-Б5 В • Ток коллектора (постоянный): 100 мА • Рассеиваемая мощность коллектора (постоянная) при T = −40 ... +25°C Подпись и дата Взам. инв. № 250 мВт • Рабочая температура (окружающей среды)−40 ... +85°C БР – 02069964 – 12.03.01 – 05 – 18 Изм. Лист № докум. . Разраб. Зубков М.К. Инв. № подл. Провер. Подпись Дата Параметры транзистора Лит. . Масса Масштаб КТ3102 Падеров В. П. Т. Контр. Лист 2 Листов 2 Реценз. Н. Контр. Шестеркина А. А. Утверд. Беспалов Н. Н. МГУ им. Н. П. Огарёва

Перв. примен. • Напряжение насыщения Б-Э, не более: при Iк = 100 мА, Iб = 5 мА1 В при Iк = 10 мА, Iб = 0.5 мА0.8 В • Ток коллектора (обратный), при Uкб = 20 В не более: T = +25°C0.1 мкА Справ. № T = +125°C4 мкА • Напряжение К-Б (постоянное):50 В КТ3107А • Напряжение К-Э (постоянное):45 В КТ3107А • Напряжение Э-Б (постоянное)5 В • Ток коллектора (постоянный):100 мА • Рассеиваемая мощность коллектора (постоянная): T ≤ +25°C300 мВт T = +125°C60 мВт • Тепловое сопротивление переход – среда0.42°C/мВт • Температура p-n перехода+150°C • Рабочая температура (окружающей среды)−60 ... +125°C Подпись и дата Взам. инв. № Инв. № дубл. Подпись и дата • Ток коллектора (импульсный) при tи ≤ 10 мкс, Q ≥ 2 200 мА БР – 02069964 – 12.03.01 – 05 – 18 Изм. Лист № докум. . Разраб. Зубков М.К. Инв. № подл. Провер. Подпись Дата Параметры транзистора Лит. . Масса Масштаб КТ3107 Падеров В. П. Т. Контр. Лист 1 Листов 2 Реценз. Н. Контр. Шестеркина А. А. Утверд. . Беспалов Н. Н. МГУ им. Н. П. Огарёва

Перв. примен. Справ. № Подпись и дата Инв. № дубл. Взам. инв. № Подпись и дата БР – 02069964 – 12.03.01 – 05 – 18 Изм. Лист № докум. . Разраб. Зубков М.К. Инв. № подл. Провер. Подпись Дата Параметры транзистора Лит. . Масса Масштаб IRF9540 Падеров В. П. Т. Контр. Лист 2 Листов 2 Реценз. Н. Контр. Шестеркина А. А. Утверд. . Беспалов Н. Н. МГУ им. Н. П. Огарёва

Перв. примен. Справ. № Подпись и дата Инв. № дубл. Взам. инв. № Подпись и дата л. БР – 02069964 – 12.03.01 – 05 – 18 Изм. Лист № докум. . Разраб. Зубков М.К. Провер. Падеров В. П. Подпись Дата Параметры транзистора IRF540 Лит. . Масса Масштаб

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв