романович. Романович Ж.А. Диагностирование, ремонт и техническое обслуживан. Учебник 3е издание
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
7.2 Диагностирование транзисторов в составе печатного узла Несмотря на широчайшее применение интегральных схем, транзисторы до сих пор остаются необходимым элемен- том электронных систем управления. Их широко применяют в мощных выходных каскадах усилителей, в высоковольтных узлах, функциональных преобразователях и т. д. Транзисторы характеризуются большим числом парамет- ров, измерить которые при внутрисхемном диагностировании практически невозможно. Этого и не требуется. Важно оце- нить правильность распайки транзистора после его замены в процессе ремонта и его работоспособность, т. е. возможность в дальнейшем выполнять свои функции. Методы внутрисхемного контроля транзисторов можно подразделить на две группы. К первой группе относятся ме- тоды качественной оценки работоспособности, позволяющие проверить по какому-либо критерию способность транзистора выполнять определенные функции. Вторую группу составляют методы внутрисхемного измерения параметров. В простейшем случае транзистор можно проверить по зна- чениям сопротивлений переходов в открытом и закрытом со- стояниях, когда транзистор представляется пассивной нели- нейной трехполюсной моделью. Метод широко применяется в радиолюбительской практике. Использование для измерения сопротивлений переходов обычных омметров неэффективно, так как в реальной схеме переходы транзистора всегда зашун- тированы другими элементами, и оценить реальное значение сопротивлений невозможно. Для решения задачи целесооб- разно использовать методы и измерительные преобразователи для контроля элементов МЭЦ. Например, измерение сопротив- ления перехода в режиме заданного тока возможно с помощью схемы, приведенной на рисунке 7.9. Испытываемый переход транзистора VT включают с по- мощью зондов З 2 и З 4 между входом и выходом операционно- го усилителя ОУ, во входной цепи которого включен калибро- ванный резистор R 0 . Проверка перехода осуществляется в два 205 такта, отличающихся полярностью тестового напряжения U 0 В одном такте проверяют сопротивление открытого перехода, а во втором — закрытого. С помощью зондов З 1 и З 3 замыкают между собой шину питания ШП и общую шину ОШ объекта и соединяют их с общей шиной измерительной схемы. Элементы Z 1 и Z 2 оказываются включенными между эквипотенциальны- ми точками — инвертирующим входом ОУ с нулевым потенци- алом и общей шиной. Ток через них не протекает, и они не вли- яют на результат измерения. Элемент Z 3 также не влияет на результат измерения, так как через зонды З 1 и З 4 он включен параллельно малому выходному сопротивлению ОУ. Благода- ря замыканию накоротко шин питания на остальные каскады ОД напряжение не подается. Тем самым исключается возмож- ность появления в ИС сигналов от предшествующих транзис- тору VT элементов печатного узла. Объект диагностирования Рисунок 7.9 — Внутрисхемное измерение сопротивления перехода транзистора Рассмотренный метод можно использовать для проверки правильности распайки вывода базы транзистора. Перепу- 206 тывание выводов эмиттера и коллектора не диагностирует- ся. Возможно также обнаружить факт ошибочной установки транзистора другого типа проводимости. Контроль парамет- ров чисто качественный: “открыт переход” — “закрыт пере- ход”. Точному измерению препятствует очень широкий диа- пазон значений сопротивлений переходов (от десятков Ом у открытого перехода до десятков МОм у закрытого), который должен быть измерен с помощью одного измерительного пре- образователя. Серьезный недостаток рассмотренной схемы — возможность появления большого напряжения насыщения на выходе ОУ в том случае, когда оборвана цепь электрода тран- зистора или перепутаны его выводы. Это может привести к выходу из строя других элементов печатного узла. Метод не может быть применен в схемах, где параллельно электродам транзистора включен диод, переход другого транзистора или активное сопротивление. Достаточно просто можно поверить в некоторых схемах усилительные свойства транзистора в случае представления его активной четырехполюсной моделью с автономным источ- ником энергии. Для этого к проверяемому транзистору подклю- чают внешние элементы малым сопротивлением, образующие вместе с ним генераторную схему, чаще всего блокинг-генера- тор. Возникновение генерации свидетельствует об исправности транзистора. Метод широко применяется в радиолюбительской практике из-за простоты реализации и удобства представле- ния информации: обычно появление генерации индицируется звуковым сигналом или свечением светодиода. Однако метод не может быть рекомендован для применения в промышлен- ных целях из-за ряда серьезных недостатков: − на схему объекта диагностирования подают напряжение питания, что может привести к выходу из строя соседних эле- ментов проверяемого узла; − низкоомные цепи измерительной схемы резко наруша- ют режим работы соседних компонентов печатного узла, что также может привести к выходу их из строя. Аналогичный эф- фект могут вызвать генерируемые сигналы; 207 − рабочие сигналы ОД могут быть ошибочно приняты за положительный результат проверки. В целом, рассмотренные методы качественной оценки ра- ботоспособности транзисторов не обладают достаточной уни- версальностью и достоверностью контроля. Измерение параметров можно проводить при представле- нии транзистора как пассивной, так и активной моделью с за- висимым источником энергии. В рабочей схеме ОД невозможно измерить все параметры транзистора. Поэтому важно выбрать параметры, позволяющие наиболее достоверно оценить его работоспособность. Параметры транзистора классифицируют следующим образом: − статические параметры, которые оцениваются по значе- ниям постоянных токов, протекающих через электроды тран- зистора, или по значениям напряжений постоянного тока на этих электродах при фиксированных условиях измерения; − малосигнальные параметры эквивалентного четырехпо- люсника, когда используется линейная модель транзистора; − параметры физической эквивалентной схемы, характе- ризующие работу транзистора в заданном диапазоне частот и режимов; − импульсные параметры, характеризующие реакцию транзистора на скачкообразное воздействие, такие как дли- тельность фронта, время задержки и т. д.; − тепловые параметры, характеризующие саморазогрев транзистора рассеиваемой в нем мощностью; − параметры, характеризующие шумовые свойства. Наиболее полно характеризуют работоспособность тран- зистора статические и малосигнальные параметры. Рассмотрим более подробно статические характеристики. Система коллекторных вольт-амперных характеристик пред- ставлена на рисунке 7.10. Работа транзистора описывается в четырех областях: активной области I, области отсечки II, об- ласти насыщения III и области пробоя IV. Основной характеристикой активной области служит ста- тический коэффициент передачи тока 208 , где I к и I б — соответственно, ток коллектора и ток базы в ак- тивной области; I к0 — обратный ток коллектора при отключенном эмиттере. Коэффициент β определяют при небольшом значении на- пряжения коллектор — эмиттер U кэ и при токе коллектора, близ- ком к рабочему. Учет I к0 в числителе и знаменателе выражения для β существенен только для микрорежимов, когда I б < 20I к0 Рисунок 7.10 — Коллекторные вольт-амперные характеристики транзисторов Для характеристики области отсечки используются токи обратно смещенных переходов транзистора: − I к0 и I э0 обратные токи переходов база-коллектор и база- эмиттер, измеряемые при отключенном третьем электроде; − I кн и I эн начальные токи переходов, измеряемые при за- мкнутых выводах базы и третьего электрода или при включе- нии между ними определенного активного сопротивления; − I кз и I эз токи переходов закрытого транзистора, измеряе- мые при определенном запирающем напряжении между базой и третьим электродом. 209 Для характеристики области насыщения III используют- ся напряжения насыщения коллектор-эмиттер и база-эмит- тер, измеряемые при заданном токе коллектора и фиксиро- ванном токе базы, значение которого должно быть в 2 −20 раз больше тока базы, соответствующего току коллектора в ак- тивном режиме. Измерение характеристик области пробоя в принципе не- приемлемо для внутрисхемного контроля из-за необходимости подачи на объект больших напряжений. Малосигнальные параметры, иногда называемые динами- ческими, дополняют статические характеристики и дают более полную оценку параметров транзистора в активной области. Их измерение основано на использовании тестового воздействия переменного тока с малой амплитудой. Амплитуда воздействия считается малой, если при уменьшении ее в два раза значение измеряемого параметра изменяется менее чем на величину ос- новной погрешности измерения. Характеристики транзистора как линейного четырехпо- люсника удобно описывать с помощью матриц. Для биполяр- ных транзисторов наиболее часто используют h-параметры: , которые могут быть пересчитаны в любые другие. Измерения h-параметров можно производить в любой из возможных схем включения транзистора: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором при определен- ных режимах по постоянному току. Для указания на схему включения используют дополнительный индекс у h — “б”, “э” или “к”. При этом напряжения и токи, входящие в вы- ражение для h-параметров приобретают конкретный смысл. Например, для схемы с общим эмиттером это выражение бу- дет иметь вид: 210 Низкочастотные малосигнальные параметры связаны со статическими характеристиками, поэтому их часто называют квазистатическими. Так, например, Высокочастотные малосигнальные параметры также опи- сывают транзистор как линейное устройство. Однако они не имеют однозначной связи со статическими характеристиками, их относят к динамическим параметрам, которые характери- зуют переходные процессы в транзисторе. Одними из наиболее информативных параметров, одно- значно характеризующих исправность транзисторов, служат обратные токи переходов I к0 и I э0 , так как их значения зависят не только от состояния переходов, но и от состояния поверхнос- ти полупроводника. Однако I к0 и I э0 измеряются при разрыве со- ответственно цепи эмиттера или коллектора, что нереализуемо при внутрисхемном контроле. В связи с этим в качестве крите- рия исправности транзистора в составе печатного узла могут быть выбраны только токи его закрытых переходов I кз и I эз . Без учета поверхностных эффектов обратные токи и токи закрытых переходов отличаются по значению на несколько процентов: , где α и α и — коэффициенты усиления тока в схеме с общей ба- зой для прямого и инверсного включения транзистора; β и — коэффициент усиления тока в схеме с общим эмитте- ром для инверсного включения. Например, при β = 40 и β и =1 разница в значениях состав- ляет 2,5%. Причиной ухудшения свойств транзистора является воз- растание поверхностных токов. Это явление эквивалентно шунтированию перехода некоторым сопротивлением. За счет поверхностных эффектов разница между значениями токов становится еще меньше, так как общий обратный ток транзис- 211 тора оценивают независимо от числа компонент, из которых он состоит, в то время как приведенное выражение описывает по- ведение отдельной компоненты. Целесообразность выбора токов I кз и I эз в качестве кри- терия исправности транзистора обусловлена тем, что у ис- правных транзисторов максимальное значение этих токов в 5 −10 раз меньше, чем у неисправных. Достоверность контроля исправности транзистора по току одного из переходов состав- ляет 0,95, а по токам двух переходов — практически равна еди- нице. Ошибка диагностирования исправности транзистора по току одного из переходов возникает при неисправности типа “обрыв” цепи третьего электрода. Для исключения ошибки не- обходима дополнительная контрольная операция по проверке целости цепи третьего электрода. Преобразователи для контроля токов переходов по струк- туре близки к преобразователям для контроля сопротивлений переходов. Так, в схеме (рисунок 7.9) для контроля токов пе- реходов достаточно поменять места включения калиброванно- го резистора R 0 и проверяемого перехода. В силу свойств ак- тивной линейной ИС в этом случае к переходам проверяемого транзистора оказывается приложенным заданное напряжение U 0 . Значение этого напряжения должно быть небольшим, не бо- лее 0,5 В, для того чтобы исключить пробой транзистора в слу- чае неправильного подключения полярности тестового напря- жения. Учитывая, что сопротивление закрытого перехода доста- точно велико, режим заданного напряжения на переходе лег- ко может быть получен и в пассивной ИС для контроля МЭЦ (рисунок 7.11). Источник тестового закрывающего переход на- пряжения U 0 включается через калиброванный резистор R 0 с помощью зондов З 2 и З 3 между базой и коллектором проверяе- мого транзистора. Напряжение коллектора через повторитель ПН подается на соединенные накоротко через зонды З 1 и З 4 шины ШП и ОШ питания каскада. Благодаря этому исключа- ется влияние элементов Z 1 −Z 4 . В результате падение напряже- ния на резисторе R 0 пропорционально измеряемому току. 212 При необходимости схема преобразователя может быть еще более упрощена. В качестве калиброванного возможно ис- пользование сопротивления в цепи коллектора (Z 3 ) или эмит- тера (Z 4 ) проверяемого каскада (рисунок 7.12). В такой схеме сопротивления Z 1 и Z 2 цепи базового делителя включены па- раллельно выходу источника напряжения U 0 . Их минимально допустимое значение ограничено только мощностью источ- ника. Элементы Z 3 и Z 4 не влияют на значение измеряемого тока, так как в подавляющем большинстве реальных схем их сопротивление на несколько порядков меньше сопротивления закрытого перехода. Отклонение сопротивления резисторов от своего номинального значения в пределах допуска ± 20% так- же не оказывает существенного влияния на результат оценки исправности, так как значения обратных токов у исправных и неисправных транзисторов отличаются более чем в пять раз. Объект диагностирования Объект диагностирования Рисунок 7.11 — Схема для контроля токов закрытых переходов Рисунок 7.12 — Упрощенная схема для контроля токов закрытых переходов С помощью рассмотренного метода также возможно из- мерение начальных токов I кн и I эн , характеризующих работу 213 транзистора в импульсном режиме. Для этого в схему преоб- разователя дополнительно вводят зонд З 5 и переключатель П (рисунок 7.13). При измерении начального ток коллектора пе- реключатель устанавливают в положение “1”, и через зонд З 5 эмиттер транзистора замыкают с базой. При измерении на- чального ток эмиттера переключатель устанавливают в поло- жение “2”, и через зонд З 3 коллектор транзистора замыкают с базой. Выходной сигнал при этом снимают через зонд З 5 Преобразователи для диагностирования исправности транзисторов в составе печатного узла могут работать с любым числом последовательно включенных каскадов, подключенных к общим шинам питания. Для этого необходимо только подклю- чать зонды З 2 , З 3 и З 5 к разным транзисторам. Достоинством ме- тода контроля токов по сравнению с методом контроля сопро- тивлений является низкий уровень используемых напряжений и исключение возможности появления рабочих сигналов ОД благодаря замыканию шин питания. Объект диагностирования “2” “1” Рисунок 7.13 — Схема для контроля начальных токов переходов Рассмотренный метод не применим для контроля схем с включенным параллельно переходу активным сопротивлени- 214 ем или другим p-n переходом. Однако оба перехода одновре- менно зашунтированы бывают крайне редко, а контроль тока даже одного перехода дает достаточно достоверную оценку исправности транзистора. Использование метода проблема- тично для контроля современных планарных маломощных транзисторов, у которых значения обратных токов лежат в диапазоне наноампер. Проведение контроля столь малых то- ков непосредственно в печатном узле с помощью автоматичес- ких систем весьма сложно из-за неизбежных токов утечки в коммутаторах, контактирующих устройствах и соединитель- ных жгутах. Метод не позволяет также обнаружить перепу- тывание выводов коллектора и эмиттера, так как значения токов I кз и I эз близки. Расширить возможности внутрисхемного диагностирова- ния можно при контроле усилительных свойств транзистора. Для учета влияния шунтирующих транзистор цепей печатного узла на значения напряжений и токов, действующих в измери- тельной схеме, измерения проводят в два такта. В первом такте к контролируемому транзистору прикладывают закрывающее напряжение и оценивают реакцию ОД на тестовое воздействие, которая обусловлена только шунтирующими цепями. Во втором такте транзистор открывают. Реакция ОД при этом определя- ется суммой токов, протекающих через открытый транзистор, и токов, протекающих через шунтирующие цепи. Разность ре- акций зависит только от свойств транзистора. На рисунках 7.14 приведены схемы преобразователей, ре- ализующих рассмотренный метод применительно к измерению различных параметров транзисторов. Во всех схемах шины питания рабочей схемы ОД, в которую включен проверяемый транзистор, замкнуты между собой. При этом элементы цепей эмиттера и коллектора оказываются между собой соединенны- ми, и на рисунках представлены цепью Z 3 Преобразователи на рисунках 7.14, а, б, в предназначены для измерения параметров биполярного транзисторов в схеме с общей базой. Нулевой потенциал базы задается через зонд З 1 с инвертирующего входа операционного усилителя ОУ 1 , прямой 215 вход которого соединен с общей шиной. Эмиттер проверяемо- го транзистора подключается к выходу этого усилителя через зонд З 3 . Таким образом, переход база-эмиттер и соединенная параллельно ему цепь Z 2 оказываются включенными между входом и выходом ОУ 1 . Ток через параллельное соединение за- дается входными напряжениями и элементами, через которые оно поступает на вход ОУ 1 а) б) в) г) |