BO GIAO ĐỤC VÀ ĐAO TẠO Trường Đại học Tổng hợp Hà nội
Tên đề tài nghiên cứu:
“ứng dụng máy ví tính để nghiên cứu
đặc trưng điện của lính kiện bán dân” |
Tên chủ trì để tài: Ngô Diên Tập, PTs
Hà nội
Trang 2Tên đề tài nghiên cứu:
“me dung may vi tinh dé nghién ctu
Trang 3MỤC LỤC
1- Mở đầu
2- Vài nét về đường đặc trứng điện của linh kiện bán dẫn
Trang 41- MỞ ĐẦU:
Trong khi tiến hành nghiên cứu các linh kiện bán dẫn cũng như khi thiết
kế mạch, khi sửa chữa các thiết bị điện tử cao cấp người ta thường phải quan tâm đến đường đặc trưng Von-Ampe của linh kiện (đặc trưng tĩnh) Để có được các đường đặc trưng này theo cách tự vẽ từng điểm thường mất rất nhiều thời
gian vì phải điều chỉnh, thiết lập rồi đọc từng giá trị của dòng và điện áp Gần
đây, kĩ thuật đo hiện số, kỹ thuật tự ghi đã cho phép giảm đi nhiều động tác và thời gian đo đạc nhưng việc vẽ các họ đường đặc trưng vẫn còn là một công việc
khá phiền phức
Nếu như việc sử dung máy vi tính đã đơn giản thao tác và rút ngắn thời gian làm việc trong rất nhiều trường hợp, thì mục đích của đề tài nghiên cứu này
là tìm một giải pháp ứng dụng máy vi tính để nhanh chóng vẽ được đường đặc trưng của linh kiện bán dẫn Việc ứng dụng kỹ thuật vi tính không những cho phép nhanh chóng quan sát được đường đặc trưng trên màn hình mà còn có thể in ra trên giấy bằng máy in, lưu nhớ kết quả trên đĩa từ - vừa giảm được kích
thước vừa dễ bảo quản và lại có thể gọi ra so sánh khi cần thiết
Những ưu điểm kế trên đã khích lộ chúng tôi tìm kiếm khả năng ghép nối
hệ thống đo để mở rộng khả năng ứng dụng máy vi tính vào giảng dạy, nghiên
Trang 52- VAI NET Vé BUONG ĐẶC TRƯNG ĐIỆN CỦA LINH KIỆN BẢN DẪN:
Các tinh kiện bán dẫn như điốt (tách sóng, chỉnh lưu, ổn áp, .) tranzito
(lưỡng cực, trường ) đều được đặc trưng bởi đường đặc trưng (hay nói đúng hơn
là họ đường đặc trưng) Von-Ampe hay còn gọi là đặc trưng dòng-thế Sau đây là
một số đường đặc trưng thường gặp:
- Điốt chỉnh lưu có tinh dẫn điện
theo một chiều Đường đặc trưng dòng-
thế có dạng như hình 1 Theo hướng
thuận điện trở của điốt là nhỏ, cỡ hàng
tram ôm, nhưng theo hướng ngược lại
điện trở của điết rất lớn Khi điện áp
ngược đủ lớn trên đường đặc trưng có
thể quan sát thấy hiện tượng đánh
thủng lớp tiếp xúc p-n và đường đặc trưng ngược đang nằm sát trục hoành bắt đầu có xu hướng đi xuống phía dưới
- Điết ổn áp có hiện tượng đánh thủng _ điển hình hơn, khi điện áp ngược đủ lớn đường đặc trưng có một đoạn dốc gần
như vng góc với trục hồnh, tương
ứng với điện áp 6n áp hay còn gọi là
điện áp Zener Uz (xem hinh 2) Imex ~U sperr max Top ~~ + Hình 1: Đường đặc trưng của điốt chỉnh lưu: NA J vmar
Hình 2: Đường đặc trưng của điốt ổn áp
- Tranzito có một số loại họ đường đặc trưng nhưng đáng chú ý nhất là đường đặc trưng lc = f(Uce) mô tả sự phụ thuộc dòng cực góp theo điện áp phát-góp
ứng với những giá trị khác nhau của dòng cực gốc Một họ đường đặc trưng tiêu
Trang 6Các đường đặc trưng trên đây được vỗ trong vùng (ma)
điện áp từ vải von đến vài chục | ~°T 454 ——————————ngạ:9A fa 21000
von và dòng điện từ vải | „| lạ = B0uA miiampe đến hàng trầm | 35+ fg = 700A og: 30 - = miliampe Trong một số sách lạ” 80A 25-+ fg = 50uA tra cứu có: thể tìm thấy họ | ;ei a lạ = 4QUA đường đặc trưng của những linh | s+ 7 f= 30uA ‘ 1 to+ kiện thông dụng lg = 20uA 54 Tg = {OUA " ‘ ' † † † + | — 0 5 {0 t5 ec Ưcg (VỊ Hình 3: Họ đường đặc trưng của một tranzito lưỡng cực
3 NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐO:
Để có thể đo và vẽ ra đường đặc trưng của linh kiện bán dẫn, hệ thống đo
cần phải đáp ứng được những yêu cầu sau: |
- Có một khối nguồn một chiều cung cấp một điện áp một chiều ổn định
nhưng có thể thay đổi được để dùng làm điện áp (Uce), các tài liệu tham khảo
cho thấy điện áp thích hợp nhất dùng để đo là có thể thay đổi trong khoảng từ
0 V đến + 20 V
- Có một khối nguồn dòng thay đổi được để dùng làm dòng gốc, dòng này
có thể thay đổi được trong vùng từ 0,01 mA đến 100 mA, nghĩa là thích hợp cho những tranzito công suất nhỏ đến tranzito công suất vừa và đủ lớn
- Xác định được giá trị dòng góp lc ứng với dòng gốc Ib và điện áp giữa
hai cực góp phát (Uce)
Trang 7- Ghép nối với máy vi tính để có thể thực hiện tất cả các thủ tục lấy mẫu,
thay đổi, điều khiển, lưu giữ số liệu một cách tự động trong một khoảng thời gian ngắn
Việc xây dựng hệ thống đo được tiến hành trước hết theo sơ đồ khối rồi
dần dần chỉ tiết hoá để lắp ráp thử và hiệu chỉnh Yếu tố +24 V +12V ˆ điểu khiển pc * \ \ +15 V *
- Khối Biến đổi Bộ phép nối | + PC
+— Nguổn dòng điểu khiển D/A và điểu khiển|_* * phu —* + Bién đổi Khuyếch dai A/D có điểu khiển 4
Hình 4: Sơ đồ khối của hệ thống đo và ghép nối
Trên hình vẽ 4 là sơ đồ khối của hệ thống đo Cách hoạt đông của mạch
này như sau: từ điện áp + 12 V của máy tính, khối nguồn nuôi sẽ biến đổi thành các điện áp một chiều: + 24 V để dùng làm điện áp góp-phát (Uce) và + 15 V để
nuôi phần mạch tuyến tính (tạo dòng cực gốc); các điên áp khác như + 5 V,
Trang 8Điện áp + 24 V được đặt lôn tranzito cần đo thử qua một yếu tố điều
chỉnh Tín hiệu điều chỉnh cho phép thay đổi sụt áp trên yếu tố này và do đó thay
đổi điện áp đặt lên tranzito cần đo thử trong khoảng 0 + 20 V (thực tế khi điều chỉnh có thể đến + 22 V)
Điện áp thực tế (đặt lôn linh kiện đo thử) được lấy ra qua bộ chia thế, còn
điện áp nên có nhận được từ rãnh cắm (Slol) của máy tính qua bộ biến đổi D/A,
nghĩa là được đặt trực tiếp từ máy tính Bộ điều khiển so sánh hai tín hiệu này và
đưa ra tín hiệu điều khiển thích hợp tác động lên yếu tố điều khiển Theo cách
này từ phần mềm của máy tính có thể đặt chính xác điện áp Uce đặt lên tranzito
cần thử ộ |
Còn dòng cực góp lc được đo thông qua điện áp sut trên điện trở shun Rs,
khuyếch đại lên và đưa đến bộ biến đổi Á/D để lới phần điều khiển và cũng tai
đây, dữ liều được trao đổi với máy linh Nhờ vậy, mối liên quan qua lại giữa dòng
cực góp và điện áp góp-pháp (Uce) hay toạ độ của các điểm trên đường đặc
trưng lc = f(Uce) được máy tính ghi nhận
Đường đặc trưng trên được đo ứng với các giá trị khác nhau của dòng cực
gốc Ib và dòng này được sinh ra từ một khối riêng ở bên trái của hình vẽ Khối chức năng này nhận điện áp từ nguồn + 15 V (không liên kết về điện với nguồn + 24 V), còn tín hiệu điều khiển để có giả trị dòng gốc mong muốn cũng lấy từ khối
điều khiển ở trơn
Như vậy là tồn bộ mạch điều khiến và đo được khép kín
Còn một vấn đề được đặt ra trong quá trình đo là chống quá dòng để không làm hỏng linh kiện cần khảo sát Chức năng này được bộ điều khiển đảm
nhận Khi điện áp Uce quá cao sẽ dẫn đến dòng cực góp quá lớn, nhưng đồng
Trang 97
thông qua bộ điều khiển làm cho sụt áp trên yếu tố điều khiến tăng lên và điện áp trên linh kiện cần đo giảm xuống, dòng Íc qua linh kiện thử cũng bị giảm theo
Từ sơ đồ khối ta có thể chia hệ thống đo ra 3 phần chính:
1- Phần nguồn nuôi
2- Phần đo và điều khiển, bao gồm: mạch điều khiển điện áp góp phát,
mạch khuyếch đại biến đổi D/A và A/D, mạch giải mã địa chỉ, mạch đệm Bus va
điều khiển rơle |
3- Phần tạo dòng cực gốc
Dưới đây xin giới thiệu chỉ tiết hơn hoạt động của lừng phần: _* Phần nguồn nuối: Những yêu cầu đặt ra cho khối nguồn nuôi:
- Phải có được điện áp một chiều cỡ 22 - 24 V để đặt lên giữa hai cực góp và phát của tranzito |
- Có được điện áp + 15 V để nuôi các mạch tuyến tính
- Cô được điện áp + 5 V cho các mạch số
Từ nguồn của máy tính chỉ có thể lấy ra điện áp cao nhất là + 12 V ổn
định, giá trị điện áp này là quá nhỏ so với yêu cầu thứ nhất kể trên nên không
thể chỉ dùng trực tiếp nguồn nuôi của máy tính Có thể thoả mãn các yêu trên
theo hai cách:
- Từ điện áp lưới điện xoay chiều 220 V qua biến áp (loại thông thường) lấy ra các điện áp xoay chiều thích hợp rồi chỉnh !ưu, lọc và ổn áp để lấy ra các
điện áp cần thiết
Trang 10Cách thứ nhất có thể thực hiện một cách đơn giản nhưng gây phiền phức
khi lắp ghép sử dụng, cách thứ hai phức táp về mặt kỹ thuật nhưng tiện lợi khi sử
dụng và giữ nguyên được hình dáng bên ngoài cho máy tính Chúng tôi đã thử nghiệm cả hai cách và cuối cùng chọn cách thứ hai Sơ đồ nguyên lý của mạch
có thế mô tả như hình vẽ 5 ở dưới đây +15 V Va Nan & LọcƑ—+> +12 V , 7815 _ Tạo - IE +24 V đao động 1 on Nan & Loc} | UC 35241A UE 2xBUZ7 1 Re = 0,1 3W * #
Hình 5: Sơ đồ hoạt đông của khối nguồn một chiều
Vi.mạch lC1 (UC 3524) đóng vai trò tạo dao động, các xung gần như
vuông góc được đưa vào mạch khuyếch đại công suất T1 và T2 rồi dẫn ra biến
áp xung dùng lõi pherit Tr† Để tránh ảnh hưởng của các dao động đa hài lên
mạch nguồn nuôi, một bộ lọc LC đã được ghép xen kẽ
Tỷ số biến áp được lựa chọn cỡ 1:2 nên ở lối ra thu được điện áp quãng 24 V Một nhánh khác đưa qua vi mạch ổn áp 7815 để tạo ra điện áp ổn định
+ 15 V Để giảm tiêu hao nhiệt chúng tôi đã lựa chọn mạch lọc LC cho nguồn điện áp + 24 V, mạch lọc này cũng phát huy ưu điểm vì xung vuông ở mạch dao
Trang 11điện xoay chiều) Do dùng biến áp (xung) nên mạch nguồn này cũng có thêm ưu
điểm là các điện áp một chiều được tạo được cách ly về điện với nguồn một chiều của máy tính
Mạch + 5 V để nuôi các mạch số được lấy trực tiếp từ máy tính qua các tụ lọc 0,1
uF để loại trừ các xung nhiễu (mỗi vi mạch một tụ lọc) có thể lẫn vào trên đường
truyền, hoặc trong quá trình hoạt động
* Phần mạch đo: Mạch điều khiển điện áp góp phát dùng tranzito BD 250 C như
một yếu tố điều khiển Điện áp từ bộ chia thế và từ máy tính được so sánh và đưa
qua hai mạch khuyếch đại thuật toán TL 084 đến tăng đệm (dùng tranzito
_ 2N3019) để tới cực gốc của yếu tố điều chỉnh Nhờ vậy mà từ nguồn nuôi + 24 V
có thể lấy ra một điện áp nằm trong vùng 0-20 V tuỳ chọn để đặt lên tranzito hoặc điết cần thử -
Các thông tin điều khiển dẫn tới các lối vào DO-D7 của bộ biến đổi D/A (dùng vi mạch AD 7524) rồi qua mạch khuyếch đại thuật toán để nhận được một
điện áp một chiều so sánh nằm trong khoảng 0 - 2,55 V
Để đo dỏng cực góp, một điện trở phụ với độ chính xác cao (0,5 %) được
sử dụng, điện áp lấy ra ở hai đầu điện trở shun này được bộ khuyếch đại dùng vi
mạch có độ trôi rất nhỏ (loại TLC 271) khuyếch đại lên Với một dòng cực góp
bằng 1 A, sụt áp trên điên trở shun bằng 1 V và được khuyếch đại lên hai lần để đưa vào bộ biến đổi A/D Còn với dòng cực góp bằng 10 mA thì để có được điện
áp bằng 2 V bộ khuyếch đại phải có hệ số khuyếch đại bằng 200 lần Như vậy,
bộ khuyếch đại phải có hệ số khuyếch đại điều chỉnh được và điều này có thể
thực hiện được đơn giản bằng máy vi tính
* Phần tạo dòng cực gốc: được cung cấp điện áp từ nguồn + 15 V ở phần
nguồn Giá trị + 15 V được lựa chọn để có được dòng gốc lớn nhất là 100 mA
Trang 1210
rồi đặt lên mạch nguồn dòng để tạo ra dòng điện cực gốc thích hợp Tín hiệu
điều khiến điện áp cũng nhận được từ máy tính và cho phép đặt chính xác 13 giá
trị khác nhau từ 1,5 V đến 15 V cách đầu nhau 1,5 V Cũng như nhiều điện trở khác trong hệ thống đo, các điện trở trong mạch nguồn dòng điện cực gốc ( xác
định giá trị của dòng) cũng được lựa chọn theo phương pháp bán thực nghiệm,
cụ thể là được ước tính theo định luật Ohm sau đó kiểm tra lại bằng thực nghiệm
rồi chọn giá trị chính xác
Để bảo đảm độ chính xác cao cho hệ thống đo, tất cả các điện trở được
sử dụng đều là loại điện trở màng kim loại với độ chính xác là 1%; còn việc điều
chỉnh điện áp chuẩn cho nguồn so sánh của bộ biến đổi A/D và D/A được tiến
hành với Von kế hiện số có độ chính xác 0,5 %
4- CÁC KẾT QUẢ VẢ BẢN LUẬN:
Toàn bộ mạch đo được mô tả ở trên đã được sắp xếp và lắp ráp trên một tấm mạch in hai mặt có kích thước 10.5 x 336 mm với một giắc cắm 62 tiếp điểm
để có thể cắm trực tiếp vào rãnh cắm 8 bịt của máy vi tính Kích thước trên là quá :
chật hẹp với một lượng lớn các linh kiện bao gồm từ 17 điốt, 7 tranzito, 25 vi
mạch và khá nhiều điện trở, tụ điện , nhưng cho phóp tạo ra sự thuận tiện khi
sử dụng vì chỉ cần mở một nắp che ở phía sau máy vi tính, rồi gài đặt tấm mạch
mở rộng này vào là đã có thể tiến hành đo được Việc trao đổi dữ liệu với máy tính được tiến hành qua rãnh cắm 8 bit, còn các đầu đo nằm ở phía sau của máy
tính dưới dạng 3 dây màu: đỏ, vàng và xanh được hàn liền với 3 kẹp cá sấu Ba dây đo này ứng với 3 cực: phát, gốc, góp của tranzito, trong dây màu đỏ có điện áp dương vì vậy được nối với cực góp của tranzito loại n-p-n hoặc cực phát của
tranzito loại p-n-p Khi đo thử điốt, dây màu vàng (ứng với cực gốc) sẽ bỏ hở; nếu như dây màu đỏ nối với anốt còn dây màu xanh nối với catốt sẽ có đường đặc
trưng theo hướng thuận, còn như hoán vị lại ta sẽ có đường đặc trưng theo hướng ngược Với quá trình kiểm tra hàng loạt có thể thay các kẹp cá sấu bằng
Trang 1311
Từ máy tính có thể dễ dàng lựa chọn trên thực đơn:
- loại độ dẫn của tranzito (pnp hay npn)
- giá trị dòng cực góp lớn nhất trong bảy giá trị có thể: 10 mA, 20 mA,
50 mA, 100 mA, 200 mA, 500 mA va 1000 mA hay 1 A
- giá trị điện áp góp phát Uce lớn nhất trong 6 giá trị: 1 V 3V, 5V, 10 V, 15 Vvà 20 V
- giá trị dòng cực gốc lớn nhất trong số 13 giá trị có thể từ 0,01 mA đến
100 mA
Sau đó có thể cho tiến hành đo, chừng một giây sau họ đường đặc trưng sẽ tự động hiện lên trên màn hình với dạng tiêu biểu như trên hình vẽ 8 ở trang
sau Trên đồ thị mô tả đường đặc trưng, trục hoành là trục điện áp góp-phát còn trục tung là trục dòng điện cực góp lc Mười đường cong mô tả sự phụ thuộc Ic= f(Uce) ứng với mười giá trị dòng gốc khác nhau Nếu như đường cong nhận
được cho thấy các giá trị đã lựa chọn là chưa thích hợp thì có thể quay về với
thực đơn chính để lựa chọn lại Khi ta đã hài lòng với họ đường cong đo được và
muốn lưu lại thì có thể gửi đồ thị này ra máy in Lệnh in màn hình này không cần
lựa chọn trước loại máy in
Để đánh giá hệ đo chúng tôi đã tiến hành rất nhiều phép đo trên các loại
tranzito Khác nhau Một số trong các họ đường cong này được mô tả trên các
hình vẽ ở phần phụ lục
Họ đường cong trên hình vẽ 6 (ở trang sau) được đo trên một tranzito
công suất trung bình là tiêu biểu cho rất nhiều họ đường cong đã được đo thử, trên đó điện áp góp-phát được thay đổi trong khoảng từ 0 V đến + 5 V, còn dòng cực góp thay đổi từ 0 đến 100 mA, còn dòng cực gốc nhận các giá trị khác nhau
Trang 1412
đường cong dòng cực góp lc ứng với hai giá trị lb = 0,9 và 1 mA có độ lớn vượt
quá 100 mA nên không thể đưa vào trong đồ thị Tntn8B 1 C Aut ,Onn 100 10, 9nA ee ee, AA 90 yT— B0 a | a En eens PY FEF 70 pa eee, 60 4 " 50 fo - - ñ,5nñ 40 a ~,4nñ 30 FT —=— -—-~-—-————~—,3nñ 2n —————— —— — ——T——————~**=————————-0,7nà iq po cee eT, EA Pp pp 1 2 3 4 5 or EU }
Hình 6: Một họ đường đắc trưng tiêu biểu của tranzito lưỡng cực
Các kết quả đo cho thấy:
- dạng đường cong giống hệt như các họ đường cong mô tả trong các
sách tra cứu về tranzito và hoàn toàn có thể sử dụng được
- thời gian tiến hành đo chỉ cỡ một giây, nghĩa là cực kỳ nhanh Khoảng
thời gian này còn cho phép thử với dòng tải lớn mà không làm hỏng linh kiện do
bị nóng vì nhiệt |
- việc mô tả đường đặc trưng trên đồ thị hoàn toàn thích ứng với các giá trị
đo lớn nhất đã lựa chọn
- hệ thống đo có độ ổn định theo thời gian và độ lặp lại cao, các phép đo
Trang 1513
- dạng đường cong trong một số trưởng hợp chưa được trơn chu, nguyên nhân là do các quá trình biến đổi AD, Á/D xảy ra trong mạch điện chứ không phải do các can nhiễu từ bên ngoài đưa vào nên chưa có cách nào giảm nhỏ
Trang 1614
# TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[†]Interface Clrcults, Elector, Netherland, 1992, p.36-40
[2] PC Circuit Technic, Hans-Joachim Blank, Herbert Bemstein, Markt & Technic, 1992, p 169-171