Разработка устройства для исследования полупроводниковых приборов

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство просвещения ПМР

ГОУ «Тираспольский Техникум Информатики и Права»

Дипломная работа

Тема: Разработка устройства для исследования полупроводниковых приборов

г. Тирасполь

2013

Реферат

В данной дипломной работе рассмотрено устройство для анализа полупроводниковых приборов. Целью работы является анализ схемотехнических решений мультиметров, рассмотрение принципов работы устройства для проверки элементов, разработка структурной и принципиальной схемы устройства, изготовление макета.

Целью работы является анализ схемотехнических решений для построения устройства для проверки полупроводниковых элементов.

В работе рассмотрены принципиальная, структурная и функциональная схемы устройства для анализа работы полупроводниковых элементов, такие как резисторы, диоды, конденсаторы, транзисторы.

В программе «Sprint Layout» эффективно сконструирована печатная плата устройства. Проведена проверка резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов.

В части диплома, связанной с охраной труда, рассмотрены основные меры безопасности при техническом обслуживание электронной техники: санитарно-гигиенические нормы, требования пожарной безопасности электробезопасность, защита от шума и вибраций, требования к организации рабочего места техника и требования безопасности при пайке.

Оглавление

• Введение
• Глава 1. Техническая часть
• 1.1 Алитический обзор
• 1.1.1 Постановка задачи
• 1.1.2. Анализ поставленной задачи
• 1.1.3.Проверка резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов
• 1.1.4.Полупроводниковые элементы
• 1.1.5 Структурная схема мультиметра
• 1.1.6 Функциональная схема мультиметра
• 1.2.Практическая часть
• 1.2.1.Принципиальная схема устройства
• 1.2.2.Микросхемы мультиметра
• 1.1.3.Изготовление печатной платы устройства
• Глава 2. Меры безопасности при техническом обслуживании средств вычислительной техники
• 2.1 Анализ условий труда
• 2.1.1 Производственная санитария и гигиена труда
• 2.1.2 Производственное освещение, его характеристика
• 2.2 Требование к организации и оборудованию рабочего места техника
• 2.2.1 Обеспечение электробезопасности
• 2.2.2 Обезопасность труда при работе с электронной аппаратурой
• 2.2.3 Требования, предъявляемые к ручному инструменту
• 2.3 Требование пожарной безопасности
• Заключение
• Список использованной литературы

Введение

Мультиметр является сложным электронным измерительным прибором, который объединяет в себе несколько функций: вольтметр, амперметр и омметр. Используется для измерения напряжения постоянного и переменного тока, силы постоянного и переменного тока, сопротивления, емкости, частоты, коэффициента усиления транзисторов, проверки диодов и прозвонки соединений. Мультиметр также имеет функцию автоматической смены полярности. Разрядность цифровых мультиметров может колебаться от 2.5 цифровых разряда (простые приборы) до 3.5 разряда (большинство приборов). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4.5, 5 и выше. Разрядность, например, «3.5» означает, что дисплей прибора показывает 3 полноценных разряда, с диапазоном от 0 до 9, и 1 разряд -- с ограниченным диапазоном, т.е. прибор сможет давать показания в пределах от 0.000 до 1.999, при выходе измеряемой величины за эти пределы требуется переключение на другой диапазон. В настоящее время во многих мультиметрах доступны и другие функции:

Данная работа является актуальной, так как мультиметр представляет собой лёгкое портативное устройство, которое удобно использовать для базовых измерений и поиска неисправностей в труднодоступных местах, а также быть сложным стационарным прибором со множеством возможностей.

Целью данной дипломной работы является исследование схемотехнических решений устройств для проверки полупроводниковых приборов, разработка структурной и принципиальной схемы, изготовление макета.

Для реализации поставленных целей нужно решить следующие задачи: рассмотреть литературных данных по теме диплома, провести исследования по данной тематике (разработать схемы, спроектировать устройство, проанализировать рабочие характеристики устройства), привести инженерные расчеты данного разрабатываемого устройства.

Важна также грамотная организация охраны труда на предприятии, а именно: необходима служба охраны труда, необходимо проведение обучения работников, должны быть предусмотрены мероприятия пожарной безопасности, обеспечение работников соответствующими средствами индивидуальной защиты, а также проводить аттестацию рабочих мест.

Дипломная работа состоит из трех частей. В технической части рассматривается разработка устройства для проверки полупроводниковых приборов. В части диплома, связанной с охраной труда исследуется безопасность работы с электронной техникой.

Глава 1. Техническая часть

1.1 Аналитический обзор

1.1.1 Постановка задачи

Мультиметр (от англ. multimeter, темстер от англ. test испытание, авомметр от АмперВольтОмМетр)комбинированный электроизмерительный прибор, объединяющий в себе несколько функций. В минимальном наборе это вольтметр, амперметр и омметр. Иногда выполняется мультиметр в виде токоизмерительных клещей. Существуют цифровые и аналоговые мультиметры. устройство мультиметр вычислительный техника

Наиболее простые цифровые мультиметры имеют разрядность 2,5 цифровых разряда (точность обычно около 10 %). Наиболее распространены приборы с разрядностью 3,5 (точность обычно около 1,0 %). Выпускаются также чуть более дорогие приборы с разрядностью 4,5 (точность обычно около 0,1 %) и существенно более дорогие приборы с разрядностью 5 и выше. Точность последних сильно зависит от диапазона измерения и вида измеряемой величины, поэтому оговаривается отдельно для каждого поддиапазона. В общем случае точность таких приборов может превышать 0,01 %, несмотря на портативное исполнение.

Аналоговый мультиметр состоит из стрелочного магнитоэлектри-ческого измерительного прибора, набора добавочных резисторов для измерения напряжения и набора шунтов для измерения тока. Измерение сопротивления производится с использованием встроенного или от внешнего источника.

Все мультиметры комплектуются парой выводов -- черным и красным (черный используется для соединения с заземлением, красный -- с положительным потенциалом), каждый из этих выводов заканчивается металлическим щупом. В маленьких, карманных, моделях выводы могут быть фиксированы в приборе, но чаще всего их можно отсоединить от мультиметра. Все детали мультиметра, кроме батареи питания, расположены на двух печатных платах размерами 65х90 мм. На первой односторонней плате установлены все детали мультиметра, за исключением микросхем DD1, DD2, индикатора HG1.

Все мультиметры комплектуются парой выводов -- черным и красным (черный используется для соединения с заземлением, красный -- с положительным потенциалом), каждый из этих выводов заканчивается металлическим щупом. В маленьких, карманных, моделях выводы могут быть фиксированы в приборе, но чаще всего их можно отсоединить от мультиметра.

Упрощая поставленную задачу, можно утверждать: мультиметр предназначается для измерения трех главных параметров любого электронного устройства: напряжения, тока и сопротивления.

Ток и напряжение измеряются при включенном питании схемы. Типичные случаи, когда нужно тестировать величину тока или напряжения включают:

Проверку напряжения, которое выдает батарейка. Проверять напряжение можно даже тогда, когда батарея подключена к рабочей схеме, т.е. к ней будет подключена так называемая нагрузка. Более того -- только в этом случае измерения будут соответствовать реальной рабочей ситуации; (Идеальный источник напряжения выдает один и тот же уровень напряжения при любом выходном токе, реальный же (та же батарейка) с увеличением выходного тока не может давать столь же высокое напряжение. Измерение без нагрузки не позволяет оценить совокупность величины напряжения и соответствующего данной нагрузке тока, а потому не имеет особого смысла для оценки работоспособности батареи.)

Определение потребления тока схемой или отдельными ее компонентами. Если схема потребляет больший ток, чем было задумано при ее разработке, то возникает опасность перегрева ее компонентов или вообще выхода устройства из строя; (Повышенное потребление схемы свидетельствует, прежде всего, о ее неправильном функционировании или о неработоспособности вообще.)

Определение номинального напряжения на элементах схемы, например на светодиодах или переключателях. Данная проверка позволяет отследить и локализовать место возникновения неисправности. Измерение напряжения в различных узлах схемы помогает сузить область возможной поломки или подозрений вплоть до нахождения причины всей этой головной боли.

Сопротивление практически всегда измеряется при отключенном питании схемы. Тестировать можно сопротивления как отдельных радиоэлементов, так и целых электрических цепей, проверяя параметры проводников, резисторов, двигателей и многих других радиодеталей.

1.1.2 Анализ поставленной задачи

Перед использованием мультиметра нужно будет убедиться, что он работает правильно. Малейшая неисправность может привести к получению абсолютно неправильных результатов, и вы можете даже не заметить этого.

Современные тестеры, особенно это касается цифровых, чаще всего работают на батарейках. Если на дисплее появился символ, предупреждающий о севшей батарее, то нужно сразу же заменить ее. Лучше всего использовать алкалайновые батареи и, естественно, исключительно новые. Большинство мультиметров не предназначено для работы от перезаряжаемых (никель-кадмиевых) элементов питания, в частности потому, что они дают немного меньшее напряжение по сравнению с одноразовыми батарейками. По этой причине использовать аккумуляторы можно только в том случае, если это явно разрешено в руководстве по эксплуатации прибора.

Для проверки работоспособности мультиметра необходимо выполнить следующие простые операции.

1. Включите прибор и поставьте переключатель в положение для измерения сопротивления (омы). Если мультиметр не имеет функции автоподстройки диапазона, то необходимо выставить наиболее низкий предел измерений.

2. Установите оба вывода в соответствующие гнезда на мультиметре и соедините между собой щупы.

3. На дисплее мультиметра должен появиться 0 или число, максимально близкое к нему.

Если в мультиметре отсутствует функция автоподстройки диапазона измерения, то после замыкания выводов между собой необходимо нажать кнопку установки нуля. В аналоговых тестерах для той же цели нужно покрутить головку и установить нуль вручную. Для полностью автоматических же мультиметров достаточно просто замкнуть щупы, подождать пару секунд -- прибор сам установит нуль.

Есть еще несколько полезных мелочей, о которых следует помнить при работе с мультиметром.

Избегать случайных касаний пальцами металлических концов щупов во время измерений. Сопротивление человеческого тела может негативно повлиять на результат измерений.

Необходимо быть совершенно уверенным, что кончики щупов чисты. Грязь или ржавчина могут также привести к изменению результата. Очищать щупы от загрязнений можно тем же очистителем, который используется и для очистки электрических контактов. При необходимости можно прочистить и гнезда в самом приборе.

Перепроверить, чтобы переключатель мультиметра стоял именно в положении измерения сопротивления, и если тестер не имеет автоподстройки диапазона, то нужно самому установить наименьший предел измерений.

Мультиметр можно считать откалиброванным тогда, когда при замыкании щупов вместе на дисплее или шкале прибора отображается нулевое сопротивление. Этот простой тест лучше проделывать всякий раз перед использованием тестера.

1.1.3 Проверка резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов

Проверка резисторов

Резистор должен быть выпаян из электрической цепи хотя бы одним концом, чтобы быть уверенным в том, что никакие другие компоненты схемы не повлияют на результат. Подключаем щупы к двум концам резистора и сравниваем показания омметра со значением которое указано на самом резисторе. Стоит учитывать и величину допуска (возможных отклонений от нормы), т.е. если по маркировке резистор на 200кОм и допуском ± 15%, его действительное сопротивление может быть в пределах 170-230кОм. При более серьезных отклонениях резистор считается неисправным.

Проверяя переменные резисторы, измеряем сперва сопротивление между крайними выводами (должно соответствовать номиналу резистора), а затем подключив щуп мультиметра к среднему выводу, поочередно с каждым из крайних. При вращении оси переменного резистора, сопротивление должно изменяться плавно, от нуля до его максимального значения, в этом случае удобней использовать аналоговый мультиметр наблюдая за движением стрелки, чем за быстро меняющимися цифрами на жидкокристалическом экране.

Проверка диодов

Если имеется функция проверки диодов, то все просто, подключаем щупы, в одну сторону диод звониться, а в другую нет. Если данной функции нет, устанавливаем переключатель на 1кОм в режиме измерения сопротивления и проверяем диод. При подключении красного вывода мультиметра к аноду диода, а черного к катоду, вы увидите его прямое сопротивление, при обратном подключении сопротивление будет настолько высоко, что на данном пределе измерения вы не увидите ничего. Если диод пробит, его сопротивление в любую сторону будет равно нулю, если оборван, то в любую сторону сопротивление будет бесконечно большим.

Проверка конденсаторов

Для проверки конденсаторов лучше всего использовать специальные приборы, но и обычный аналоговый мультиметр может помочь. Пробой конденсатора легко обнаруживается путем проверки сопротивления между его выводами, в этом случае оно будет равно нулю, сложнее с повышенной утечкой конденсатора.

При подключении в режиме омметра к выводам электролитического конденсатора соблюдая полярность (плюс к плюсы, мунус к минусу), внутренние цепи прибора заряжают конденсатор, при этом стрелка медленно ползет вверх, показывая увеличение сопротивления. Чем выше номинал конденсатора, тем медленнее движется стрелка. Когда она практически остановится, меняем полярность и наблюдаем как стрелка возвращается в нулевое положение. Если что-то не так, скорее всего есть утечка и к дальнейшему использованию конденсатор не пригоден. Стоит потренироваться, так как, лишь при определенной практике можно не ошибиться.

Проверка транзисторов

Обычный биполярный транзистор представляет собой два диода, включенных навстречу один другому. Зная, как проверяются диоды, несложно проверить и такой транзистор. Стоит учесть, что транзисторы бывают разных типов, p-n-p когда их условные диоды соединены катодами, и n-p-n когда они соединяются анодами. Для измерения прямого сопротивления транзисторных p-n-p переходов, минус мультиметра подключается к базе, а плюс поочередно к коллектору и эмиттеру. При измерении обратного сопротивления меняем полярность. Для проверки транзисторов n-p-n типа делаем все наоборот. Если еще короче, то переходы база-коллектор и база-эмиттер в одну сторону должны прозваниваться, в другую нет.

1.1.4 Полупроводниковые элементы

Полупроводниковые элементы

Их составляет целая группа деталей: диоды, стабилитроны, транзисторы. В каждой детали использован полупроводниковый материал, или проще полупроводник. Что это такое? Все существующие вещества можно условно разделить на три большие группы. Одни из них - медь, железо, алюминий и другие металлы - хорошо проводят электрический ток - это проводники. Древесина, фарфор, пластмасса совсем не проводят ток. Они непроводники, изоляторы (диэлектрики). Полупроводники же занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Такие материалы проводят ток только при определенных условиях.

Рис.1 Диоды

Диоды. У диода два вывода: анод и катод. Если подключить к ним батарею полюсами: плюс - к аноду, минус - к катоду, в направлении от анода к катоду потечет ток. Сопротивление диода в этом направлении небольшое. Если же попытаться переменить полюсы батарей, то есть включить диод "наоборот", то ток через диод не пойдет. В этом направлении диод обладает большим сопротивлением.

Рис.2. Стабилитроны

Стабилитроны. Эти полупроводниковые приборы также имеют два вывода: анод и катод. В прямом направлении (от анода к катоду) стабилитрон работает как диод, беспрепятственно пропуская ток. А вот в обратном направлении он вначале не пропускает ток (как и диод), а при увеличении подаваемого на него напряжения вдруг "пробивается" и начинает пропускать ток. Напряжение "пробоя" называют напряжением стабилизации. Оно будет оставаться неизменным даже при значительном увеличении входного напряжения. Благодаря этому свойству стабилитрон находит применение во всех случаях, когда нужно получить стабильное напряжение питания какого-то устройства при колебаниях, например сетевого напряжения.

Как различать выводы диодов и стабилитрона? На корпусе малогабаритных диодов типа Д9 ставят цветные точки - метки вблизи анода. Диоды Д2 больших, чем Д9, размеров с широкими выводами-ленточками. На одном из выводов ставят условное обозначение диода - это и есть вывод анода. Аналогично условный знак ставят на корпусе диодов Д7, Д226 и стабилитронов, причем короткая черточка знака обращена в сторону вывода катода.

Рис.3. Транзисторы

Транзисторы. Из полупроводниковых приборов транзистор наиболее часто применяется в радиоэлектронике. У него три вывода: база (б), эмиттер (э) и коллектор (к). Транзистор - усилительный прибор. Его условно можно сравнить с таким известным вам устройством, как рупор. Достаточно произнести что-нибудь перед узким отверстием рупора, направив широкое в сторону друга, стоящего в нескольких десятках метров, и голос, усиленный рупором, будет хорошо слышен вдалеке. Если принять узкое отверстие за вход рупора-усилителя, а широкое - за выход, то можно сказать, что выходной сигнал в несколько раз больше входного. Это и есть показатель усилительных способностей рупора, его коэффициент усиления.

Но вернемся к транзистору. Если пропустить через участок база - эмиттер слабый ток, он будет усилен транзистором в десятки и даже сотни раз. Усиленный ток потечет через участок коллектор - эмиттер. В зависимости от наибольшего тока, который можно пропускать через коллектор, транзисторы делятся на маломощные, средней и большой мощности.

Рис.4. P-n- P и N-p-N

Кроме того, эти полупроводниковые приборы могут быть структуры р-n-р или n-р-n. Так различаются транзисторы с разным чередованием слоев полупроводниковых материалов (если в диоде два слоя материала, здесь их три). На схемах диод обозначается буквами VD, а транзистор - VT.

Существует еще один тип диодов - Лямбда - диод:

Рис.5. ВАХ диода

Лямбда - диод не является представителем нового класса полупроводниковых приборов - он получается путем включения двух комплементарных (взаимодополняющих) полевых транзисторов. Наличие на вольт-амперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением позволяет строить на его основе очень простые генераторы РЧ колебаний. На рисунке в качестве примера приведена схема простейшего высокочастотного генератора всего из трех деталей. Генераторы, собранные на основе Лямбда - диода обладают очень хорошей температурной стабильностью, большой и стабильной амплитудой выходного сигнала. Такой диод можно изготовить, например, из полевых транзисторов типов КП103 и КП303. Максимальная граничная частота Лямбда-диода может достигать десятков мегагерц.

Промышленностью выпускаются также фототранзисторы и фоторезисторы. Существуют полупроводниковые лазеры. Спектр рабочих волн таких приборов простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазонов. 

Мультиметр полупроводниковых элементов

Тестер с высокой точностью определяет номера и типы выводов транзистора, тиристора, диода и др. Будет очень полезен начинающему радиолюбителю.

Типы тестируемых элементов :

- NPN транзисторы - на дисплее "NPN"

- PNP транзисторы - на дисплее "PNP"

- N-канальные-обогащенные MOSFET - на дисплее "N-E-MOS"

- P-канальные-обогащенные MOSFET - на дисплее "P-E-MOS"

- N-канальные-обедненные MOSFET - на дисплее "N-D-MOS"

- P-канальные-обедненные MOSFET - на дисплее "P-D-MOS"

- N-канальные JFET - на дисплее "N-JFET"

- P-канальные JFET - на дисплее "P-JFET"

- Тиристоры - на дисплее "Tyrystor"

- Симисторы - на дисплее "Triak"

- Диоды - на дисплее "Diode"

- Двухкатодные сборки диодов - на дисплее "Double diode CK"

- Двуханодные сборки диодов - на дисплее "Double diode CA"

- Два последовательно соединенных диода - на дисплее "2 diode series"

- Диоды симметричные - на дисплее "Diode symmetric"

- Резисторы - диапазон от 0,5 К до 500К [K]

- Конденсаторы - диапазон от 0,2nF до 1000uF [nF, uF]

Описание дополнительных параметров измерения:

- H21e (коэффициент усиления по току) - диапазон до 10000

- (1-2-3) - порядок подключенных выводов элемента

- Наличие элементов защиты - диода - "Символ диода"

- Прямое напряжение - Uf [mV]

- Напряжение открытия (для MOSFET) - Vt [mV]

- Емкость затвора (для MOSFET) - C= [nF]

Есть два варианта схемы :

Первый вариант автоматическое выключение через 10 секунд

Рис.6. Схема тестера полупроводниковых элементов с автоматическим выключением через 10 секунд

Второй вариант по проще без авто выключения.



Рис.7. Схема тестера полупроводниковых элементов без авто выключения

Рис.8. Схема устройства

Процесс измерения достаточно прост: подключите тестируемый элемент к разъему (1,2,3) и нажмите кнопку "Тест". Тестер покажет измеренные показания и через 10 сек. перейдет в режим ожидания, это сделано для экономии заряда батареи. Батарея используется напряжением 9V типа "Крона".

Рис.9. Тестирование симистора



Рис.10. Тестирование диода

Рис.11. Тестирование светодиода

Рис.12. Тестирование сдвоенного диода

Рис.13. Тестирование транзистора NPN



Рис.14. Тестирование транзистора PNP

1.1.5 Структурная схема мультиметра

Рис.15. Структурная схема мультиметра

Прибор имеет в своем составе: входы измерения тока и напряжения, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), микроконтроллер, обрабатывающий входной сигнал, четырехразрядный светодиодный цифровой индикатор, единичные светодиодные индикаторы, кнопку переключения режимов измерения и вторичный источник питания (ВИП) с гальванической развязкой.

Рис.16. Упрошённая схема мультиметра в режиме измерения напряжения

Упрощенная схема мультиметра в режиме измерения напряжения представлена на рис. 2. При измерении постоянного напряжения входной сигнал подается на R1...R6, с выхода которого через переключатель (по схеме 1-8/1... 1-8/2) подается на защитный резистор R17. Этот резистор, кроме того, при измерениях переменного напряжения вместе с конденсатором СЗ образует фильтр нижних частот. Далее сигнал поступает на прямой вход микросхемы АЦП, вывод 31. На инверсный вход микросхемы подается потенциал общего вывода, вырабатываемый источником стабилизированного напряжения 3 В, вывод 32. При измерениях переменного напряжения оно выпрямляется однополупериодным выпрямителем на диоде D1. Резисторы R1 и R2 подобраны таким образом, чтобы при измерении синусоидального напряжения прибор показывал правильное значение. Защита АЦП обеспечивается делителем R1...R6 и резистором R17.

Рис.17. Упрощённая схема мультиметра в режиме измерения тока

Упрощенная схема мультиметра в режиме измерения тока представлена на рис. 3. В режиме измерения постоянного тока последний протекает через резисторы RO, R8, R7 и R6, коммутируемые в зависимости от диапазона измерения. Падение напряжения на этих резисторах через R17 подается на вход АЦП, и результат выводится на дисплей. Защита АЦП обеспечивается диодами D2, D3 (в некоторых моделях могут не устанавливаться) и предохранителем F.



Рис.18. Упрошённая схема мультиметра в режиме измерения сопротивления

Упрощенная схема мультиметра в режиме измерения сопротивления представлена на рис. 4. В режиме измерения сопротивления используется зависимость, выраженная формулой (2). На схеме видно, что один и тот же ток от источника напряжения +LJ протекает через опорный резистор Ron и измеряемый резистор Rx (токи входов 35, 36, 30 и 31 пренебрежимо малы) и соотношение UBX и Uon равно соотношению сопротивлений резисторов Rx и Ron. В качестве опорных резисторов используются R1....R6, в качестве токозадающих используются R10 и R103. Защита АЦП обеспечивается терморезистором R18 [в некоторых дешевых моделях используются обычные резисторы номиналом 1...2 кОм), транзистором Q1 в режиме стабилитрона (устанавливается не всегда) и резисторами R35, R16 и R17 на входах 36, 35 и 31 АЦП.

1.1.6 Функциональная схема мультиметра

Рис.19. Функциональная схема мультиметра

· коммутатор К измеряемых сигналов;

· операционный усилитель ОУ;

· аналого-цифровой преобразователь АЦП;

· цифровой индикатор ЦИ.

Ко входам коммутатора подключены различные измерительные преобразователи.

Первый -- аттенюатор А служит для преобразования постоянного напряжения высокого уровня в постоянное напряжение более низкого уровня.

Второй -- прецизионный выпрямитель ПВ служит для преобразования переменного напряжения (тока) в напряжение постоянного тока.

Третий преобразователь ПR преобразует сопротивление в напряжение постоянного тока. Чаще всего это просто прецизионный источник постоянного тока, который задается через измеряемое сопротивление и создает на нем падение напряжения U = IR.

Таким образом, мультиметр может измерять напряжение (и токи) постоянного и переменного тока, а также сопротивление. чем больше преобразователей содержит мультиметр, тем сложнее его электронная начинка и дороже прибор. Впрочем, стоит отметить, что для построения типовых цифровых мультиметров выпускаются специализированные интегральные микросхемы, содержащие практически все упомянутые узлы. Именно поэтому нередко мультиметры даже разных фирм по метрологическим и электрическим характеристикам похожи «как две капли воды». Они обычно отличаются разрядностью дисплея и погрешностью. Чем последняя меньше, тем, как правило, дороже прибор, больше его габариты и масса. Последнее связано с применением прецизионных резисторов и конденсаторов, габариты и масса которых заметно больше, чем у обычных компонентов.

Некоторые мультиметры оснащены простыми средствами для прозвона цепей со звуковой индикацией (если сопротивление цепи меньше заданного в десятки Ом), тестирования микросхем различной логики, проверки диодов и транзисторов. Последняя реализуется обычно заданием в базу стабильного небольшого тока и измерением тока коллектора. Он пропорционален коэффициенту передачи тока базы В (или hBE).

Иногда мультиметры снабжаются средствами контроля логических микросхем и даже простым генератором тестовых сигналов на несколько частот.

1.2 Практическая часть

1.2.1 Принципиальная схема устройства

Портативный цифровой мультиметр с 3,5-разрядным индикатором предназначен для измерения постоянного и переменного напряжения, постоянного и переменного тока, сопротивления, ёмкости конденсаторов, проверки диодов, транзисторов и прозвонки цепей. Некоторые модели позволяют также измерять частоту и температуру. Метод измерений - АЦП двойного интегрирования с автоматической коррекцией нуля, автоматическим определением полярности и индикацией перегрузки. 

Полная защита от перегрузок. Питание мультиметра осуществляется от одной батареи 9В типа "Крона". В комплекте поставки мультиметра M890D входит комплект щупов и инструкция на русском языке.

30 позиционный переключатель режимов работ и пределов.

Высокая чувствительность - 100мкВ.

Автоматическая индикация перегрузки - "1".

Автоматическое определение полярности постоянного тока или напряжения.

Все пределы защищены от перегрузок.

Измерение сопротивления от 0,1 Ом до 200 МОм.

Измерение емкости от 1 пФ до 20 мкФ.

Проверка диодов прямым стабильным током 1 мА.

Измерение h21E транзисторов при Ib=100 мкА.

Точность гарантирована в течении 1 года при 23±5°С и относительной влажности менее 75%.

Характеристики:

Количество измерений в секунду: 2 - 3

Постоянное напряжение U= 0,1 мВ - 1000 В

Переменное напряжение U~ 0,1 В - 750 В

Входное сопротивление R 1 МОм

Постоянный ток I= 1 мкA - 20 A

Диапазон частот по перем. току 40 - 400 Гц

Сопротивление R 0,1 Ом - 200 МОм

Емкость C 1 пФ - 20 мкФ

Температура t°C -20° ... +1370°

Коэффициент усиления транзисторов h21 до 1000

Диод-тест : есть

Режим «прозвонка» < 1 кОм

Питание 9В /типа NEDA 1604, Крона ВЦ /

Габариты, мм 88 х 170 х 38

Вес, грамм (с батареей) 340

Сервис: Индикация разряда батарейки

Индикация перегрузки «1»



Рис.20. Принципиальная схема устройства

1.2.2 Микросхемы мультиметра

При производстве радиоэлектронной продукции использование многофункциональных специализированных микросхем, требующих минимального количества внешних компонентов, позволяет значительно сократить время разработки конечного устройства и производственные затраты. Значительную долю рынка недорогих измерительных приборов занимают цифровые мультиметры. Большая их часть построена на основе АЦП типа ICL7106 от фирмы International Rectifier (отечественный аналог -- АЦП 572ПВ1). На основе этого АЦП можно создавать различные цифровые измерительные приборы как для измерения электрических величин, так и для измерения веса, температуры и др. Однако определенный интерес при разработке цифровых мультиметров представляет другая микросхема -- NJU9207, о которой и пойдет речь.

Японская компания JRC (полное название New Japan Radio Co.Ltd.) выпускает серию специализированных микросхем, представляющих собой незначительно отличающиеся варианты цифрового мультиметра на одном чипе, обеспечивающим управление 31/2-разрядным LCD. Это микросхемы NJU9207, NJU9208, NJU 9207B. На принципиальных схемах можно встретить либо полное обозначение типа микросхемы, либо сокращенное -- только в виде цифр. Микросхемы NJU9207/08 благодаря своим техническим данным предназначены в основном для применения в карманных цифровых мультиметрах. Отличие микросхем NJU9208 от микросхем NJU9207 состоит только в расположении выводов.

Микросхема NJU9207/08 включает:

· АЦП;

· источник опорного напряжения;

· контроллер;

· генератор;

· детектор состояния батареи питания;

· драйвер LCD. Возможности микросхемы:

· низкий потребляемый ток (менее 1 мА);

· низкое напряжение источника питания (типовое значение 3 В);

· автоматический выбор предела измерений;

· функция автоудержания (Data, Range);

· наличие удвоителя и стабилизатора напряжения для работы встроенного драйвера LCD;

· непосредственное управление пьезоэлектрическим зуммером;

· обеспечение индикации состояния батареи питания на LCD.

Рис.21. Корпус микросхемы

Микросхемы выполнены по КМОП-технологии в корпусе QFP 80. Вид корпуса и расположение выводов показаны на рис. 1, а на рис. 2 изображена структурная схема микросхемы. В табл. 1 приведены сведения о нумерации и назначении выводов.

Рис.22. Структурная схема микросхемы

Режимы измерения электрических величин ЦММ на основе микросхемы NJU9207/08 делятся на две группы: режимы с автоматическим и режимы с ручным выбором предела измерений. Автоматический выбор предела измерений производится при измерении напряжения постоянного тока в диапазоне 200мВ…2000 В (пять пределов), напряжения переменного тока в диапазоне 2 В…2000 В (четыре предела), сопротивления в диапазоне 100 Ом… 20МОм (шесть пределов). При измерении тока предел измерения выбирают вручную. Диапазон измерения как постоянного, так и переменного тока составляет 2 мА…20 А и делится на пять поддиапазонов.

Выбор режима измерений обеспечивается состоянием уровней на выводах FC1-FC4. Для изменения такого состояния можно применить механический переключатель. При изменении состояния на одном из выводов FC1-FC4 по спаду импульса напряжения формируется звуковой сигнал длительностью 31,25 мс и частотой 2 кГц. Этот сигнал воспроизводится зуммером. Сигнал сброса системы (RESET) формируется по фронту или спаду импульсов на выводы FC1-FC4

При изменении режима измерения установка его предела зависит от состояния уровня на выводе AFC. При этомна LCD высвечивается соответствующая значащая точка -- Р1, Р2 или Р3.

Если режим измерений изменен в период работы АЦП, внутри микросхемы формируется сигнал сброса счетчика (COUNTER RESET), и она инициализируется. После этого АЦП снова запускается с цикла автообнуления.

При включении режима прозвонки цепи автоматически устанавливается режим измерения сопротивления на пределе 2 кОм. Если сопротивление проверяемой цепи менее 300Ом, зуммер издает непрерывный звуковой сигнал, а на LCD отображается значение сопротивления. В режиме проверки диодов также автоматически устанавливается режим измерения сопротивления на пределе 2 кОм, и на диод подается прямое напряжение от источника питания, составляющее 1,5 В.

Для работы в режиме автоматического выбора предела измерений на выводе A/M должен присутствовать уровень лог. 1. Чтобы установить режим автоматического или ручного выбора предела измерения, служит кнопка RANGE CONTROL. Если установлен режим автоматического выбора, то для перехода в ручной режим необходимо нажать эту кнопку. Время нажатия при этом должно быть менее 1 с. При установленном ручном режиме нажатие и удержание кнопки на время менее 1 с приведет к изменению предела измерения, а при ее удержании более 1 с происходит переход в режим автоматического выбора.

В режиме HOLD напряжение низкого уровня на выводе HOLD обеспечивает фиксацию показаний LCD на измеренном значении электрической величины.

При ручном режиме установки предела измерений выбор предела определяется сочетанием уровней напряжения на выводах RC1-RC3 (на выводе А/М при этом должен присутствовать уровень лог. 0). В табл. 4 приведены уровни сигналов на выводах RC1-RC3, задающие соответствующие пределы измерений.

При превышении допустимого предела измерений зуммер выдает сигнал тревоги -- прерывистые звуковые сигналы частотой 2кГц длиной 1/16с с промежутком в 5/16с между каждой их парой.

Рис. 23. Принцип формирования знаков LCD

Значок, отображающий батарею, сигнализирует о том, что напряжение питания составляет менее 1,1…1,3 В и источник питания необходимо заменить.

Значок минуса отображается тогда, когда при измерении напряжения или силы постоянного тока минус источника приложен к «горячей» клемме прибора, а плюс -- к общей. Буквы RH отображаются в том случае, когда на выводе RH присутствует уровень лог. 0 в режиме автоматического выбора предела измерений (на выводе А/М -- лог. 1).

Табл. 1. Выходы микросхемы мультиметра

Буквы RС отображаются в том случае, когда выбор предела в автоматическом режиме определяется состоянием выводе RC1 (на выв. А/М -- лог. 1). При включении мультиметра на основе NJU9207/9208 схема инициализации обеспечивает кратковременную индикацию всех сегментов LCD, выдачу короткого звукового сигнала (около 62,5 мс) зуммером и инициализацию внутренних узлов микросхемы.

1.1.3 Изготовление печатной платы устройства

Рис.24. Печатная плата устройства

Следует иметь в виду, что на всей поверхности плат со стороны установки микросхем, за исключением мест расположения проводников, показанных на рис. 11,а, и под переключателем SA3 со стороны расположения проводников сохранен сплошной слой металлизации (фольги), выполняющей роль общего провода. Отверстия в печатных платах со стороны установки деталей раззенкованы. Места подпайки выводов к фольге общего провода на рис. 10 и 11,а помечены крестиками. Один из выводов конденсатора С20, стойки на обеих платах для подключения общего провода и проволочная скоба для соединения выводов резисторов R7 - R 11 подпаяны к фольге платы с обеих сторон. В этом случае соответствующие отверстия не зенкованы. На второй плате проводники, соединяющие резистор R44 и конденсаторы С23 и С24, с целью уменьшения. влияния паразитных емкостей на результат преобразования, окружены защитным проводником, соединенным с выводом 27 микросхемы. Для этой же цели фольга со стороны установки микросхем под указанными элементами отделена от общего провода и соединена с тем же выводом.

Вторая плата является законченным вольтметром постоянного тока с пределом измерения 199,9 мВ и может использоваться в других конструкциях измерительных приборов.

Переключатели SA1 и SA2 размещены на кронштейне из латуни толщиной 1 мм (рис. 25), который установлен в вырезе первой платы. Входные гнезда XS1 и XS2 для штырей диаметром 1,6 мм находятся на боковой стенке корпуса. Переключатели снабжены ручками - барабанами с гравировкой режимов и пределов измерений (рис. 26). Следует помнить, что ручки должны быть изолированы от осей переключателей. Переключатель SA3 закреплен на уголке из латуни той же толщины, его ось параллельна длинной стороне платы. Управляется переключатель рычагом, изготовленным из органического материала.

Рис. 25 Кронштейн для переключения СА1 и СА2

Рис.26. Вторая печатная плата мультиметра

Исходя из выше сказанного, в дипломной работе рассмотрен принцип построения устройства для исследования сервисной аппаратуры для диагностики, обслуживания и ремонта средств вычислительной техники.

В настоящее время измерительные приборы стремительно развиваются. На рынке измерительных приборов мультиметр занял прочное место. В дипломной работе исследованы структурная, принципиальная и функциональная схемы мультиметра, а также построен стенд, который может быть использован для проведения лабораторных и практических работ по техническим дисциплинам техническое обслуживание средств вычислительной техники и компьютерных сетей.

Глава 2. Меры безопасности при техническом обслуживании средств вычислительной техники

2.1 Анализ условий труда

Организация рабочего места инженера - разработчика заключается в обеспечении условий, исключающих утомляемость и профессиональные заболевания и выборе необходимой технической базы для обеспечения этих условий. Утомляемость работников может быть подразделена на два вида. Один из этих видов определяется характером самого трудового процесса, а другой - результатом каких - либо недостатков организации труда, т.е.

Проблема научной организации труда включает в себя изучение воздействий всего многообразия факторов на труд инженерно - технического персонала, разработку методов выбора помещений размещения отделов технических специалистов в здании, рациональную расстановку и плани-ровку рабочих мест, освещенность и т.д.

Анализ условий труда на предприятии проводится с целью составления и разработки определенных оздоровительных мероприятий, что позволяет сократить несчастные случаи на производстве. При проведении анализа условий труда проводится оценка показателей напряженности и тяжести трудового процесса. С целью получения наиболее полного анализа условий труда проводятся инструментальные измерения уровня производственных факторов с оформлением протоколов. Формы протоколов устанавливаются нормативными

2.1.1 Производственная санитария и гигиена труда

Производственная санитария рассматривает вопросы влияния основных производственных факторов на состояние здоровья работников. Это такие факторы, как микроклимат, излучение, освещение, шум, вибрация, загрязнение производственного воздуха и тому подобное.

Основную роль в оздоровлении условий труда играет правильная организация производства. Существующие нормы устанавливают санитарные зоны, требования к расположению производственных зданий и наличию в них всех необходимых санитарно-бытовых помещений, обеспечение, как питьевой водой, так и водой для технических целей, устройство рабочих помещений с учетом необходимой производственной площади, освещения, отопления и вентиляции.

Оптимальные параметры микроклимата должны быть:

- температура в производственных 21-25 град

-относительная влажность воздуха в зависимости от температуры в пределах 40-60%;

- скорость движения воздуха в пределах 0,1-0,5 м/с;

В соответствии с требованиями действующего законодательства ра-ботники должны обеспечиваться гардеробными, умывальниками, душевыми, помещениями для личной гигиены женщин, туалетами.

В связи с тем, что состояние производственного воздуха в значительной мере зависит от эффективности его обмена, значительное вни-мание уделяется вентиляции помещения.

По принципу действия она разделяется на естественную (аэрацию) и искусственную (механическую).

Под естественной вентиляцией имеется в виду такой обмен воздуха в помещении, который возникает за счет разности температуры воздуха снаружи и в помещении или под влиянием ветра. При механической вентиляции обмен воздуха осуществляется с применением специальных механизмов (вентиляторов, эжекторов). По признаку действия вентиляция разделяется на местную и общую.

Для исключения сквозняков при наличии вытяжной вентиляции должна существовать и приточная. Воздух, который подается приточной вентиляцией, не должен содержать вредных веществ, для чего на приточных вентиляционных системах устанавливаются фильтры.

Гигиена труда изучает: формы и методы организации труда и отдыха, состояние организма в процессе трудовой деятельности, характер и особенности рабочих движений, положений тела при работе, инструменты и орудия труда, применяемое сырье, технологию процессов, техническое оборудование, готовые и промежуточные продукты, отходы производства с точки зрения их воздействия на работающих и окружающее население; физ-иические, химические и биологические факторы производственной среды и физиологические изменения у работающих под влиянием этих факторов и трудовых процессов. Наряду с практическими мероприятиями по оздоровлению условий труда гигиена труда разрабатывает и научные основы для регламентирования санитарных условий труда на производстве.

Необходимые санитарно-гигиенические условия труда на производственных предприятиях обеспечивается как на стадии проектирования, так и при эксплуатации оборудования, технологических процессов, производственных и вспомогательных помещений.

Предмет гигиены труда:

· трудовой и производственный процессы, режимы и обстановка труда, технологические процессы с точки зрения их влияния на здоровье и организм человека;

· неблагоприятные (вредные и опасные) факторы, отрицательно влияющие на человека.

Задачи гигиены труда:

· разработка санитарно-гигиенических мероприятий по оздоровлению условий труда;

· обобщение опыта промышленно-санитарного надзора;

· научное обоснование нормативной документации по охране труда -- законов, норм, правил.

2.1.2 Производственное освещение, его характеристика

Правильно спроектированное и рационально выполненное освещение производственных помещений оказывает положительное психофизиологическое воздействие на работающих, способствует повышению эффективности и безопасности труда, снижает утомление и травматизм, сохраняет высокую работоспособность.

При освещении производственных помещений используют естественное освещение, создаваемое прямыми солнечными лучами и рассеянным светом небосвода и меняющемся в зависимости от географической широты, времени года и суток, степени облачности и прозрачности атмосферы; искусственное освещение, создаваемое электрическими источниками света, и совмещенное освещение, при котором недостаточное по нормам естественное освещение дополняют искусственным. Основной задачей производственного освещения является поддержание на рабочем месте освещенности, соответствующей характеру зрительной работы. Увеличение освещенности рабочей поверхности улучшает видимость объектов за счет повышения их яркости, увеличивает скорость различения деталей, что сказывается на росте производительности труда.

Совмещенное освещение допускается для производственных помещений, в которых выполняются зрительные работы I и II разрядов; для производственных помещений, строящихся в северной климатической зоне страны; для помещений, в которых по условиям технологии требуется выдерживать стабильными параметры воздушной среды (участки прецизионных металлообрабатывающих станков, электропрецизионного оборудования). При этом общее искусственное освещение помещений должно обеспечиваться газоразрядными лампами, а нормы освещенности повышаются на одну ступень.

Освещение характеризуется количественными и качественными показателями. К количественным показателям относятся:

- световой поток Ф - часть лучистого потока, воспринимаемая человеком как свет; характеризует мощность светового излучения, измеряется в люменах (лм);

- сила света J - пространственная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dф, исходящего от источника и равномерно распространяющегося внутри элементарного телесного угла d?, к величине этого угла; J== dф/d? ; измеряется в канделах (кд);

- освещенность Е - поверхностная плотность светового потока; определяется как отношение светового потока dф, равномерно падающего на освещаемую поверхность dS (м2), к ее площади: Е=dф/dS, измеряется в люксах (лк);

- яркость L поверхности под углом ? к нормали -это отношение силы света dJ?, излучаемой, освещаемой или светящейся поверхностью в этом направлении, к площади dS проекции этой поверхности, на плоскость, перпендикулярную к этому направлению: L = dф/(dScos?), измеряется в кд * м-2.

Для качественной оценки условий зрительной работы используют такие показатели как фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации освещенности, показатель освещенности, спектральный состав света.

Системы и виды производственного освещения:

Конструктивно естественное освещение подразделяют на боковое (одно- и двухстороннее), осуществляемое через световые проемы в наружных стенах; верхнее -через аэрационные и зенитные фонари, проемы в кровле и перекрытиях; комбинированное - сочетание верхнего и бокового освещения.

Искусственное освещение по конструктивному исполнению может быть двух видов - общее и комбинированное. Систему общего освещения применяют в помещениях, где по всей площади выполняются однотипные работы (литейные, сварочные, гальванические цехи), а также в административных, конторских и складских помещениях. Различают общее равномерное освещение (световой поток распределяется равномерно по всей площади без учета расположения рабочих мест) и общее локализованное освещение (с учетом расположения рабочих мест).

По функциональному назначению искусственное освещение подразделяют на рабочее, аварийное и специальное, которое может быть охранным, дежурным, эвакуационным, зрительным, бактерицидным и др.

Рабочее освещение предназначено для обеспечения нормального выполнения производственного процесса, прохода людей, движения транспорта и является обязательным для всех производственных помещений.

Аварийное освещение устраивают для продолжения работы в тех случаях, когда внезапное отключение рабочего освещения (при авариях) и связанное с этим нарушение нормального обслуживания оборудования могут вызвать взрыв, пожар, отравление людей, нарушение технологического процесса и т.д. Минимальная освещенность рабочих поверхностей при аварийном освещении должна составлять 5 % нормируемой освещенности рабочего освещения, но не менее 2 лк.

Эвакуационное освещение предназначено для обеспечения эвакуации людей из производственного помещения при авариях и отключении рабочего освещения; организуется в местах, опасных для прохода людей: на лестничных клетках, вдоль основных проходов производственных помещений, в которых работают более 50 чел. Минимальная освещенность на полу основных проходов и на ступеньках при эвакуационном освещении должна быть не менее 0,5 лк, на открытых территориях - не менее 0,2 лк.

Охранное освещение устраивают вдоль границ территорий, охраняемых специальным персоналом. Наименьшая освещенность в ночное время 0,5 лк.

Сигнальное освещение применяют для фиксации границ опасных зон; оно указывает на наличие опасности, либо на безопасный путь эвакуации.

При организации производственного освещения необходимо обеспечить равномерное распределение яркости на рабочей поверхности и окружающих предметах. Перевод взгляда с ярко освещенной на слабо освещенную поверхность вынуждает глаз переадаптироваться, что ведет к утомлению зрения и соответственно к снижению производительности труда. Для повышения равномерности естественного освещения больших цехов осуществляется комбинированное освещение. Светлая окраска потолка, стен и оборудования способствует равномерному распределению яркостей в поле зрения работающего.

Производственное освещение должно обеспечивать отсутствие в поле зрения работающего резких теней. Наличие резких теней искажает размеры и формы объектов различения и тем самым повышает утомляемость, снижает производительность труда. Особенно вредны движущиеся тени, которые могут привести к травмам. Тени необходимо смягчать, применяя, например, светильники со светорассеивающими молочными стеклами, при естественном освещении, используя солнцезащитные устройства (жалюзи, козырьки и др.).

Колебания освещенности на рабочем месте, вызванные, например, резким изменением напряжения в сети, обусловливают переадаптацию глаза, приводя к значительному утомлению. Постоянство освещенности во времени достигается стабилизацией плавающего напряжения, жестким креплением светильников, применением специальных схем включения газоразрядных ламп.

При организации производственного освещения следует выбирать необходимый спектральный состав светового потока. Это требование особенно существенно для обеспечения правильной цветопередачи, а в отдельных случаях для усиления цветовых контрастов. Оптимальный спектральный состав обеспечивает естественное освещение. Для создания правильной цветопередачи применяют монохроматический свет, усиливающий одни цвета и ослабляющий другие.

Осветительные установки должны быть удобны и просты в эксплуатации, долговечны, отвечать требованиям эстетики, электробезопа-сности, а также не должны быть причиной возникновения взрыва или пожара. Обеспечение указанных требований достигается применением защитного зануления или заземления, ограничением напряжения питания переносных и местных светильников, защитой элементов осветительных сетей от механических повреждений и т.п.

2.2 Требование к организации и оборудованию рабочего места техника

Рабочее место должно создавать необходимые условия для эффективных экономных и простых рабочих движений.