РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ОБРАТНЫХ ВАХ ОПТОПАР

DEVELOPMENT OF A DEVICE FOR AUTOMATIC CONTROL OF REVERSE VAС OPTOCOUPLERS

Daniil Vlasov

Master's student, Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

Stanislav Koschinsky

scientific supervisor, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Electronics, Radio Engineering and Communication Systems, I.S. Turgenev Orel State University,

Russia, Orel

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье предложено устройство для автоматического измерения обратных вольт-амперных характеристик оптопар, предназначенное для автоматического контроля брака диодных оптопар, и минимизации трудозатрат по сбору статистики.

ABSTRACT

In this article, a device for automatic measurement of reverse volt-ampere characteristics of optocouplers is proposed, designed to automatically control the marriage of diode optocouplers, and minimize labor costs for collecting statistics.

Ключевые слова: Вольт-амперная характеристика, оптопара, брак, устройство.

Keywords: Volt-ampere characteristic, optocoupler, marriage, device.

Проблема брака кристаллов матриц изделий микроэлектроники является самой важной проблемой в этой отрасли. В частности, брак по обратной ветви вольт-амперной характеристики диодных фотовольтаических оптопар влияет на надежность и общее время непрерывной работы готового прибора. Вызвано данное явление деградацией полупроводников в связи с оказанным на него механическим и термическим воздействием [2]. В связи с этим была поставлена задача автоматического контроля обратных вольт-амперных характеристик оптопар во избежание возникновения отказов у конечного потребителя.

Для конкретной оптопары К294ПП1 была произведена оценка вольт-амперной характеристики. Процесс механического разрушения кристалла и прогноз его последующей деградации приведены на рисунке 1.

Рисунок 1. Зависимость обратной ветви ВАХ от процесса деградации кристалла

Сплошной линией на рис. 1 обозначено годное устройство, значение обратной вольт-амперной характеристики которого составляет 15 В и 15 мкА. Штриховой линией обозначены измеренные бракованные устройства. Так, можно заметить, что брак устройства может наблюдаться уже при -12 В обратного напряжения, а в дальнейшем, при проведении термоциклирования, наблюдается деградация полупроводника в качестве смещения обратной ветви вольт-амперной характеристики к токовой оси.

Для решения проблемы брака диодных оптопар предлагается разработать автоматическое устройство для контроля обратных вольт-амперных характеристик оптопар, с возможностью вывода изображения искомой характеристики на экран персонального компьютера, определять численные значения характеристики с погрешностью не более 7% и сохранять их в памяти компьютера, что уменьшило бы время получения и дальнейшей обработки экспериментальных данных. Предельно допустимые характеристики измерительного стенда не должны превышать 15 Вольт при измерении обратного напряжения и 20 мкА по обратному току.

В результате проведенного патентного поиска было найдено аналогичное устройство [3], функционально отличающееся от разрабатываемого. Основным отличием является тот факт, что аналог производит замеры только у n-канальных транзисторных оптопар по требуемым для них параметрам. Также в аналоге присутствует объемный пользовательский интерфейс, который позволяет с указанной точностью изменять входные и выходные параметры, что усложняет и замедляет работу оператора. Чтобы снизить трудоемкость работы оператора, было принято решение практически полностью отказаться от ручного интерфейса пользователя и заменить его автоматическим. При этом первоначальную настройку параметров и количество замеров для каждой микросхемы однократно задает разработчик перед пуском в работу.

В проектируемом устройстве контроль обратных ВАХ будет производиться по двум необходимым параметрам: обратное напряжение (U_изм) и обратный ток (I_изм).

Система управления разрабатываемого устройства построена на базе одного микроконтроллера чтобы измерять два необходимых параметра. Такое решение является наиболее рациональным.

С учетом требуемой точности, измерения требуемых параметров будут производиться с использованием встроенного в микроконтроллер АЦП, что уменьшит количество компонентов в электрической схеме.

Функциональная схема разработанного измерительного стенда приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема стенда

Блоки 1-3 – это стабилизаторы напряжения с номиналами 3,3 В, 5 В и 15 В соответственно.

Блок 4 осуществляет связь измерительного стенда с ПК через преобразователь USB/UART для управления измерениями и вывода получаемых экспериментальных данных на экран с возможностью их записи.

Блок 5 осуществляет программирование микроконтроллера от внешнего программатора.

Блок 6 - управляемый источник обратного напряжения. Реализован с помощью преобразователя с ШИМ с частотой сигнала f = 50 кГц, плавно регулирующий обратное напряжение на фотодиодах через фильтр низких частот в диапазоне от 0 до 15 Вольт.

Блоки 7 и 8 реализуют кодовое управление источником тока (блок 10). Код с МК приходит на ЦАП (блок 7) и генерирует аналоговое напряжение до 5 Вольт с погрешностью до 2%. После чего полученное напряжение усиливается на прецизионном не инвертирующем усилителе (блок 8) в 3 раза, реализуя диапазон измерений от 0 до 15 Вольт.

Блок 9 – измеритель напряжения, реализованный на дифференциальном усилителе, точность которого по информационным данным зависит от точности элементов в обвязке. Так, опираясь на информационный лист к микросхеме, мы можем утверждать, что погрешность измерения будет составлять менее 5%. Измеряемый диапазон напряжений от 0 до 15 Вольт преобразуется в диапазон от 0 до 3 Вольт, соответствующий диапазону преобразования внутреннего АЦП микроконтроллера [1].

Измерение обратного тока производится путем преобразования тока I_изм в напряжение на резисторе R_i в блоке 11. Полученное напряжение фильтруется и подается на вход внутреннего АЦП микроконтроллера [1].

Предложенное устройство позволяет производить автоматический контроль обратных вольт-амперных характеристик диодных оптопар в диапазонах напряжения от 0 до 15 Вольт и тока от 0 до 20 микроампер. Данное устройство отличается от известных тем, что оно минимизирует трудоемкость технологического процесса контроля обратных вольт-амперных характеристик и автоматизирует сбор статистики по проведенным измерениям.

Список литературы:

1. Белов А.В. Конструирование устройств на микроконтроллерах. - 1-е изд. - СПб.: Наука и техника, 2005. - 256 с.
2. Набиев М.Я. Проблема управления деградационными свойствами в кремнии // Экономика и социум. - 2022. - №2(93)-1. - С. 435-438.
3. Патент № RU 174672 U1 Российская Федерация, МПК G01R 31/26. Устройство измерения статических параметров полупроводниковых приборов: № 2017113367 : заявл. 18.04.2017 : опубл. 25.10.2017 / Кубацкий И.А., Елесин А.Б., Колганова А.А., Абдуллаев О.Р., Геращенко Ю.С. – 22 с.