Разработка устройства для диагностики стабилитрона



В данной статье описывается устройство, позволяющее определить основные параметры стабилитрона: прямое и обратное напряжения. Напряжения определяются при подведении к стабилитрону 15В. Прямое напряжение измеряется при пропускании через стабилитрон тока величиной 50 мА. Данное устройство необходимо для определения «реальных» параметров стабилитрона и проверки его исправности.

Ключевые слова: стабилитрон, прямое напряжение, обратное напряжение, аналогово-цифровой преобразователь, тепловой пробой, короткое замыкание

This article describes a device that allows you to determine the main parameters of the zener diode: forward and reverse voltage. The voltages are determined when applied to a zener diode 15V. Direct voltage is measured by passing a current of 50 mA through a zener diode. This device is necessary to determine the «real» parameters of the zener diode and check its serviceability.

Key words: zener diode, forward voltage, reverse voltage, analog to digital converter, thermal breakdown, short circuit

Для создания данного устройства требуется источник напряжения с изменяемой полярностью и абсолютным значением напряжения 15В. Полярность подводимого к стабилитрону напряжения должна управляться микропроцессором. Для измерения напряжения используется аналогово-цифровой преобразователь. Измерения проводятся с точностью до 0,2 В. Для отображения измеряемых прямого и обратного падений напряжения на диоде, необходимо предусмотреть схему индикации. На рисунке 1 изображена структурная схема разрабатываемого устройства. Реверсивный источник напряжения обеспечивает изменение полярности, подводимого к тестируемому стабилитрону VD напряжения. В состав измерительного блока входит схема согласования и АЦП.

Рис.1. Структурная схема устройства

Для подключения устройства к микропроцессорной системе служит схема сопряжения. Устройство управления по программе микропроцессора управляет работой реверсивного источника напряжения и измерительного блока. Блок индикации обеспечивает отображение, измеренных прямого и обратного падений напряжения на тестируемом стабилитроне.

Так как прямой ток тестируемого стабилитрона составляет 50мА, то для переключения полярности напряжения необходимо использовать транзисторы средней или высокой мощности. Выберем для этого транзисторы КТ807А структуры n-p-n и КТ820В-1 структуры p-n-p.

В качестве АЦП используется микросхема К1113ПВ1, представляющая собой 10-разрядный АЦП, сопрягаемый с микропроцессором. Эта микросхема обеспечивает преобразование как однополярного напряжения в диапазоне 0...9,95В, так и биполярного напряжения в диапазоне -4,975...+4,975В в параллельный двоичный код [1]. Выходные каскады с тремя состояниями позволяют считывать результат преобразования непосредственно на шину данных микропроцессора. Для организации портов ввода-вывода использована БИС КР580ВВ55А, представляющую собой программируемый параллельный адаптер ввода-вывода (ППА). Для формирования управляющих сигналов используется микросхема К155ИД4, имеющая в своем составе два дешифратора 2 на 4. Для дешифрации двоичной информации в код семисегментного индикатора — микросхему К155ПП5, имеющую выходы с общим коллектором. Для отображения информации использованы светодиодные индикаторы АЛС324Б.

Принципиальная схема устройства приведена на рисунке 2. Переключение полярности, подводимого к исследуемому стабилитрону напряжения, осуществляется с помощью транзисторов VT1 КТ820В-1 и VT2 КТ807А. Управление полярностью осуществляется подачей сигнала логической единицы или нуля на выводы канала С ППА.

Принцип работы схемы состоит в следующем: напряжение высокого уровня на выходе управляющего вывода канала С ППА открывает и переводит в режим насыщения транзистор VT1. Таким образом, получили прямое напряжение на стабилитроне. При напряжении низкого уровня на выходе управляющего вывода канала С ППА транзистор VT1 закрывается. Для подачи обратного напряжения на стабилитрон подаются аналогичные управляющие сигналы на транзистор VT2 [2].

Резистор R3 ограничивает прямой ток через стабилитрон. Приняв падение напряжения на прямо смещенном стабилитроне равным U_VDпр=2В, найдем значение R3:

Ом (1)

На случай неправильного включения стабилитрона примем R4=R3=250Ом

Резистор R1 и R5 ограничивают выходной ток высокого уровня ППА. Приняв U_БЭVT4=0,7В, получим:

кОм (2)

Резистор R2=R6=7кОм обеспечивает надежное запирание транзисторов VT1 и VT2 при напряжении низкого уровня на выходе ППА.

Для согласования измеряемых напряжений (+15В…-15В) с входным напряжением АЦП (+5…-5В) используется делитель напряжения, состоящий из резисторов R7, R8. Сопротивления этих резисторов задаются таким образом, чтобы при изменении напряжения на входе от –15 до +15В напряжение на выходе изменялось в диапазоне -3В…+3В. Входной ток АЦП равен 40мкА, а падение напряжения на резисторе R8 должно быть равно 3В, исходя из этого найдем значение номиналов резисторов:

(3)

(4)

Микросхема АЦП имеет один вход для подачи опорного напряжения U_оп, два входа для подачи напряжения питания U_п1 и U_п2, выводы OV# и OV* — соответственно цифровая и аналоговая земля [1].

Для отображения измеренных прямого и обратного падений напряжения на тестируемом стабилитроне используются светодиодные индикаторы HG1- HG3 и светодиод VD2 (знак минус). Поскольку, обратное напряжение на стабилитроне может быть 15В, то для его отображения с точностью до десятых долей вольта понадобится три индикатора: HG1 отображает десятки, HG2 отображает единицы, HG3 — десятые доли прямого и обратного напряжения. Индикаторы выполнены по схеме с общим анодом и зажигаются уровнем логического нуля. Для ограничения тока последовательно с каждым светодиодом включается резистор:

Ом (5)

Выходной ток 25мА вполне приемлем для микросхемы К155ПП5 благодаря выходам с общим коллектором.

Для организации портов ввода-вывода используется БИС КР580ВВ55А [3]. Обращение к микросхеме производится по адресам @1ВН @1АН, @19Н при выводе информации и при программировании ППА, и по адресу @18Н, при наличии низкого уровня сигнала , при вводе данных с АЦП. Через первый и второй биты канала С ППА производится управление полярностью, подводимого к стабилитрону напряжения.

Рис. 2. Принципиальная схема устройства

На рисунке 3 приведены временные диаграммы записи информации в каналы В и С ППА (третий машинный цикл команды OUT). При выставлении на шину адреса @19H или @1АH на выходе дешифратора адреса, собранного на микросхемах DD1 выставляется низкий уровень сигнала (вывод 30 общей шины), который подается на вход микросхемы DD2, то есть происходит выбор ППА. Запись информации производится по переднему фронту сигнала С₁ и данные D появляются на выходах каналов В, С [3].

На рисунке 4 приведены временные диаграммы чтения информации из канала А (опроса АЦП). Низкий уровень сигнала (вывод 30 общей шины), выставляемый по адресу @18H, разрешает ввод данных с канала А ППА. Запись данных в микропроцессор происходит через канал А ППА на третьем такте третьего машинного цикла команды IN по спаду тактового импульса С1.

Рисунок 3 - Временные диаграммы записи данных в ППА (слева); временные диаграммы чтения из ППА (справа)

Обращение к микросхеме ППА производится по адресам: @1ВН — при программировании ППА; @18Н — при считывании информации с АЦП; @19Н — при выводе значения целой части напряжения на стабилитроне; @1АН — при выводе значения дробной части напряжения на стабилитроне, а также для индикации знака напряжения, неисправности стабилитрона, переключении полярности напряжения на нем. Управляющая программа располагается в ячейках ОЗУ в диапазоне адресов 0800h-0877h.

В начале программы осуществляем настройку ППА в режим 0, при этом канал А программируем на ввод данных, а канал В и С — на вывод (блок 1). Блок 2 осуществляет приложение к тестируемому стабилитрону напряжения заданной полярности, сначала положительной, а затем отрицательной. Поскольку рабочая частота тестируемого стабилитрона неизвестна и АЦП необходимо время для преобразования входного аналогового сигнала в цифровой, то между изменением полярности напряжения на стабилитроне и его измерением необходимо осуществить временную задержку (блок 3).

Блок 4 — опрос АЦП. Блок 5 осуществляет перевод двоичного кода, поступающего с АЦП, в двоично-десятичный код. Поскольку напряжение на входе АЦП изменяется в диапазоне ±3В…0, что соответствует диапазону входных напряжений ±15В…0, а источник опорного напряжения равен 5В, то учитывая, что код на выходе АЦП при положительном или отрицательном напряжении изменяется в пределах от 0 до 127D, можем определить, что изменение входного напряжения на 0,2В соответствует изменению выходного кода на (127·3)/(5·(15/0,2))=1,016≈1. Так как АЦП выдает только целые числа, напряжение будет измеряться с шагом 0,2В. Если напряжение не укладывается в десятые доли вольта, то число единиц инкрементируется. При превышении числа единиц девяти инкрементируется число десятков.

Далее проверяется знак приложенного напряжения к стабилитрону (блок 6). Если в регистре Н было число 01h, то приложенное напряжение прямое. При положительной полярности напряжения проверяется его значение (блок 7). В случае если прямое падение напряжения превышает 5В, то светодиод «стабилитрон неисправен» загорается (блок 8) и программа завершает своё выполнение. При этом на индикаторах выставится напряжение на стабилитроне.

Если напряжение на стабилитроне отрицательное или положительное, но меньше 5В, то на индикаторы выводится значение напряжения. При отрицательном напряжении еще загорается светодиод «минус» (блок 9).

Затем выполняется временная задержка для возможности визуального восприятия значения напряжения (блок 10). После этого содержимое регистра L изменяется и в аккумулятор записывается число для выставления отрицательного напряжения на стабилитроне (блок 11). Далее выполняется переход к блоку 2. Таким образом, программа выполняется в цикле, каждый раз обновляя отображаемые данные.

Рис. 4. Блок-схема программы

В результате проделанной работы было разработано устройство, позволяющее определить основные параметры стабилитрона: прямое напряжение при номинальном токе 50мА и обратное напряжение при величине подводимого напряжения 15В. Следует отметить, что ток 50мА для ряда маломощных стабилитронов превышает предельно допустимый прямой ток и тестирование их данным прибором может привести к тепловому пробою. Напротив, для мощных стабилитронов ток 50мА намного меньше номинального тока, а так как прямое напряжение измеряется при номинальном токе, то для тестирования таких стабилитронов необходимы гораздо большие токи. Также и напряжение 15В может превысить предельно допустимое обратное напряжение для ряда стабилитронов, что опять же приведет к пробою.

Кроме измерения прямого и обратного падений напряжения с помощью данного прибора можно проводить контроль неисправности стабилитрона. Существует два основных вида неисправностей: это пробой или короткое замыкание внутри корпуса и обрыв одного из токоподводящих электродов. Для исправного стабилитрона обратное напряжение должно приближаться к напряжению источника, то есть к 15В, а прямое лежать в диапазоне от долей вольта до 2–3В. При пробое обратное падение напряжения на стабилитроне будет сильно отличаться от 15В и приближаться к прямому напряжению. При обрыве внутри корпуса стабилитрона прямое напряжение будет равняться 15В. Для индикации неисправности стабилитрона предусмотрен светодиод VD1.

Точность измерения во многом определяется точностью преобразования аналогового напряжения в цифровой код АЦП, допуском элементов схемы измерения, их температурными зависимостями.

Литература:

1. Э.-А. К. Багданскис, Р. Л. Пошюнас и др. «Быстродействующие интегральные микросхемы ЦАП и АЦП и измерение их параметров»: — М.: Радио и связь, 1988.
2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. [Djv-14.1M] Монография. Издание шестое. Авторы: Пауль Хоровиц (Paul Horowitz), Уинфилд Хилл (Winfield Hill). Перевод с английского Б. Н. Бронина, А. И. Коротова, М. Н. Микшиса, Л. В. Поспелова, О. А. Соболевой, Ю. В. Чечеткина. Научное издание. Москва: Издательство «Мир»: Редакция литературы по информатике и новой технике, 2003.
3. С. И. Лукьянов, А. Н. Панов, Е. И. Сидельникова, А. Е. Васильев. Лабораторный практикум по курсу «Электронные промышленные устройства»: Учебное пособие. — Магнитогорск: МГТУ, 2004.