UI9600A多功能篩選儀優化

余廷義

摘 要：本文主要針對元件精度的問題，以及元器件老化問題，提出相關解決措施和方案。

關鍵詞：電子鎮流器、元件精度、三極管、多功能篩選儀

一、背景

電子鎮流器、節能燈生產廠家大多用圖示儀對晶體管進行測試，但圖示儀讀數不直觀，沒有自動報警功能，操作極其不便，不適合生產線大批量檢測使用。特別是漏電流及耐壓測試非常麻煩，多數企業只能抽檢，無法全檢。而且，圖示儀無法測試晶體管開關時間，用其控制質量就顯得不夠全面。針對這種情況，結合電子鎮流器的特殊要求， UI9600A晶體管多功能篩選儀成為大家的首選。

然而，由于元件精度的問題，以及元器件老化問題，會出現各檔位電測試電流和測試電壓儀器之間有微小的差異，從而導致各臺UI9600A晶體管多功能篩選儀之間有一定差異，從而導致精確測量，或要求范圍較小時篩選的結果就不太令人滿意。其主要表現為，各臺儀器間有部分檔位測試有差異或每個檔位都有差異。

二、三極管開關時間理論

三極管工作在開關狀態時，其內部電荷的建立與消散都需要一定的時間。因此，如圖一（b部分）所示集電極電流 iC的變化總是滯后于輸入電壓ui的變化，這說明三極管由截止變為飽和或由飽和變為截止都需要一定的時間。

當輸入ui由UR正跳到UF時，發射區開始向基區擴散電子，并形成基極電流iB。同時基區積累的電子流向集電區形成集電極電流iC。隨著基區積累電子的增多，iC不斷增大，直到最大值IC（sat），三極管進入飽和狀態。這時，如iB繼續增大時，基區內存儲電荷更多，三極管飽和加深。通常把從ui正跳變開始到iC上升到0.9IC（sat）所需的時間稱為開通時間，用ton表示。

當輸入ui由UR正跳到UF時，基區中存儲的大量電荷開始消散，在存儲電荷消散前，iC=IC（sat）不變。隨著存儲電荷的消散，三極管的飽和深度變淺。存儲電荷消失后，三極管進入放大區并轉向截止。通常把從ui負跳變開始到iC下降到0.1IC（sat）所需的時間稱為關斷時間，用toff表示。

圖一 三極管開關理想特性與實際特性

晶體管的開關波形中，開啟過程又分為延遲和上升兩個過程，關斷過程又分為存儲和下降兩個過程，則晶體管總的開關時間共有4個：延遲時間td，上升時間tr，存儲時間ts和下降時間tf；ton=td+tr，toff=ts+tf.存儲時間ts就是晶體管從過飽和狀態（集電結正偏的狀態）退出到臨界飽和狀態（集電結0偏的狀態）所需要的時間，也就是基區和集電區中的過量存儲電荷消失的時間；。而這些過量少子存儲電荷的消失主要是依靠復合作用來完成，所以從器件設計來說，減短存儲時間的主要措施有如：在集電區摻Au等來減短集電區的少子壽命（以減少集電區的過量存儲電荷和加速過量存儲電荷的消失；但是基區少子壽命不能減得太短，否則會影響到電流放大系數），盡可能減小外延層厚度（以減少集電區的過量存儲電荷）。而從晶體管使用來說，減短存儲時間的主要措施有如：基極輸入電流脈沖的幅度不要過大（以避免晶體管飽和太深，使得過量存儲電荷減少），增大基極抽取電流（以加快過量存儲電荷的消失速度）。

三、I9600多功能篩選儀功能及原理說明

1. 測量參數有 放大倍數β

開關時間（上升時間、存儲時間、下降時間） 飽和壓降VCES及正向壓降VBE漏電流ICEO及耐壓BVCEO

2.對測試的開關時間、β進行分檔，可顯示批號；對V CES、V BE、I CEO、BV CEO進行超限判斷，不合格的發出聲光報警，并用指示燈指明哪一項不合格。 3. 測試條件可按要求自由調節或設定。

② 測試Ib注入電流分三檔：0.1mA、1mA、10mA；

②開關時間測試Ic電流有四檔0.5A、0.25A、0.1A、0.05A；對應Ib電流為0.1A、0.05A、0.02A、0.01A； ③VBE、VCES的測量條件同開關時間測試條件； ④漏電流ICEO測試電壓50～650V連續可調；

β測試Ib注入電流分三檔：0.1mA、1mA、10mA；

TS測試的基本原理如圖二所示，當輸入電壓vi由-V1 跳變到+V2時，三極管從截止到開始導通所需要的時間稱為延遲時間td。 經過延遲時間td后，iC不斷增大。iC上升到最大值的90%所需要的時間稱為上升時間tr 。當輸入電壓vi由+V2跳變到-V1時，集電極電流從ICS到下降至0.9ICS所需要的時間稱為存儲時間ts。集電極電流由0.9ICS降至0.1ICS所需的時間稱為下降時間tf。重點說一下ts的計算，由于測試ts時，都是測試管飽和導通，所以當集電極電流為ICS時，VCE為0.3 左右；當集電極電流為0.9ICS時，VCE=VCC-0.9ICS *RC= VCC -0.9（VCC -VCE（sat））=0.1 VCC +0.9 VCE（sat）。

所以測試時，在基極加一個足以使三極管飽和導通的方波，再監測VC處電壓變化并記錄集電極電流為0.9 ICS及0.1ICS的時的時間。I9600A多功能篩選儀測量TS的部分電路圖三。電路中有四檔測試條件， J1、J2、J3、J4分別和J5、J6、J7、J8同步開關，正常情況下四組開關中始終有一組處于閉合狀態，相當于有4組不同的Rb和RC值。圖中的三極管BJT即為待測三極管，R9連接待測三極管的基極，并通過電壓跟隨器U4監控基極電壓。當電壓小于低電壓時，儀器就開始進行測試程序，進行測試相關參數。本文只介紹TS的測試，其它參數就不進行說明。在進行開關時間測試時，是通過兩個電壓比較器U2和U3確定“ICS到下降至0.9ICS”和“ICS到下降至0.1ICS”這兩個時間點。

按照開關時間的定義，重點說一下ts的計算，由于測試ts時，都是測試管飽和導通，所以當集電極電流為ICS時，VCE為0.3 左右；當集電極電流為0.9ICS時，VCE=VCC-0.9ICS *RC= VCC -0.9（VCC -VCE（sat））=0.1 VCC +0.9 VCE（sat）。在UI9600A多功能篩選儀中，測試電源電壓為5伏，所以集電極電流從ICS到下降至0.9ICS時，VCE的電壓為0.5+0.28=0.78伏。在電路圖中，R14的分壓值就選取為0.78左右，也就是U2的比較器的負端比較值。同理R15就是集電極電流從ICS到下降至0.1ICS時，VCE的值。

四、I9600多功能篩選儀優化方案

首先從推導的公式看，TS涉及到VCC和VCE（sat）兩個，所以TS測量準確跟測試電壓的穩定有關系，和三極管的飽和程度也有關系。具體到電路中，前者一定要保證測量電壓VCC準確和穩定，后者要保證基極和集電極電流穩定，也就是要保證電路中的各檔位電阻值的穩定，不要產生電感性、電容性阻抗，減少阻值溫度變化。其次從電路上看，U2和U3的精度以及其負端的比較電壓的穩定都會影響開關時間的測量（對TS來說就是U2）。最后還有系統的晶振是否穩定，因為系統測量三極管開關時間肯定用到了系統時鐘。

儀器使用久后會出現測試不穩定，不準確都可已從以上三個方面去查找問題。在產線上使用I9600A多功能篩選儀時，希望多臺測試的結果盡量一致，我們也可以從上面的角度去思考。至少有兩種方式去解決這個問題，一是改變飽和度，即調整測試電壓與電流大小；二是改變測量電路中的比較電壓值。第一種方法只需要把Rb和RC變為可調即可。我將介紹第二種方法。

由于儀器的每個元件的實際性能不完全一樣，也就造成每個儀器測試時會產生差異。儀器出廠時都會對儀器進行測試，并把校對到一個可以接受的范圍，這就需要綜合考慮各個檔位的情況。而我們使用時是希望每個檔位各個儀器盡可能一樣。前面分析TS測量準確的因素，所以按照圖四所示，與J5、J6、J7、J8一樣，J9、J10、J11、J12分別和J1、J2、J3、J4是同步開關，這樣就可以改變各個檔位的比較值，而不是所有檔位都使用一個電壓比較值。因此，各臺儀器間便可以各個檔位按樣管值進校對，以達到各個檔位測試值的統一（但由于測試電壓和電流的的差異，也不太可能每只樣管都能達到一樣的值，只能是盡可能多的一致）。但是，需要注意電位器的選擇，盡可能選取較大阻值，不可影響5V電壓的穩定。

五、結束語

經過改裝在線多臺測試儀，從測試效果來看，儀器間各檔差異顯著變小，調節后一段時間內也能保持較為一致的測試結果。