Pomiary elementów półprzewodnikowych w diagnostyce elektroniki przemysłowej

Dlaczego warto sprawdzać elementy półprzewodnikowe?

Elementy półprzewodnikowe znajdują się w niemal każdym urządzeniu elektroniki przemysłowej. Odpowiadają między innymi za prostowanie napięcia, przełączanie, sterowanie mocą, regulację oraz zabezpieczanie układów.

Ich uszkodzenie często prowadzi do zwarcia, przerwy w obwodzie lub nieprawidłowego działania całego urządzenia. Prawidłowo wykonane pomiary pozwalają szybko określić, czy dany element wymaga dalszej diagnostyki lub wymiany.

Najczęściej sprawdzane elementy

Podczas napraw elektroniki przemysłowej można spotkać między innymi:

• diody prostownicze,
• diody Schottky’ego,
• diody Zenera,
• diody TVS,
• tranzystory MOSFET,
• tranzystory IGBT,
• tranzystory bipolarne,
• tyrystory,
• triaki,
• moduły mocy.

Sposób pomiaru zależy od rodzaju półprzewodnika oraz konstrukcji badanego układu.

Test diody za pomocą multimetru

Podstawowym narzędziem do sprawdzania diod jest multimetr wyposażony w funkcję testu diody.

W sprawnej diodzie pomiar w kierunku przewodzenia powinien wskazywać określony spadek napięcia, natomiast po odwróceniu przewodów wartość powinna wskazywać brak przewodzenia.

Pomiar pozwala wykryć między innymi:

• zwarcie diody,
• przerwę,
• nieprawidłowe przewodzenie,
• znaczne odchylenie parametrów.

Wartość spadku napięcia zależy od rodzaju zastosowanej diody.

Pomiar diod Schottky’ego

Diody Schottky’ego charakteryzują się innymi właściwościami niż klasyczne diody krzemowe.

Ich spadek napięcia w kierunku przewodzenia jest zazwyczaj niższy, dlatego podczas pomiaru należy uwzględnić typ badanego elementu.

W przypadku diod stosowanych w przetwornicach impulsowych szczególnie ważne jest sprawdzenie, czy nie występuje zwarcie lub przerwa.

Pomiar diod Zenera i TVS

Diody Zenera oraz TVS pełnią najczęściej funkcje stabilizacyjne lub ochronne.

Podstawowy pomiar multimetrem pozwala wykryć zwarcie lub przerwę, ale nie zawsze umożliwia określenie rzeczywistego napięcia przebicia.

W przypadku podejrzenia nieprawidłowej pracy konieczne może być wykonanie pomiaru przy odpowiednim źródle napięcia i ograniczeniu prądu.

Pomiar tranzystorów bipolarnych

Tranzystor bipolarny zawiera dwa złącza półprzewodnikowe, które można częściowo sprawdzić za pomocą funkcji testu diody.

Można w ten sposób wykryć:

• zwarcie pomiędzy wyprowadzeniami,
• przerwę złącza,
• nieprawidłowe zachowanie złącza baza–emiter,
• nieprawidłowe zachowanie złącza baza–kolektor.

Podstawowy test nie zastępuje jednak pełnego sprawdzenia tranzystora pod obciążeniem.

Pomiar tranzystorów MOSFET

W tranzystorach MOSFET należy zwrócić uwagę na strukturę elementu oraz obecność diody pasożytniczej pomiędzy drenem i źródłem.

Podczas podstawowego testu można sprawdzić:

• zwarcie dren–źródło,
• zachowanie diody pasożytniczej,
• zwarcie bramka–źródło,
• zwarcie bramka–dren.

Szczególnie ważne jest sprawdzenie bramki, która powinna być odizolowana od pozostałych elektrod.

Pomiar tranzystorów IGBT

IGBT są powszechnie stosowane w falownikach, napędach oraz innych urządzeniach elektroniki mocy.

Podczas podstawowej diagnostyki można sprawdzić:

• zwarcie kolektor–emiter,
• stan diody zwrotnej,
• izolację bramki,
• zwarcie bramka–emiter,
• zwarcie bramka–kolektor.

Uszkodzony IGBT często wykazuje zwarcie pomiędzy głównymi elektrodami.

W przypadku modułów wielotranzystorowych należy sprawdzić wszystkie gałęzie, a nie tylko jeden podejrzany element.

Pomiar tyrystorów

Tyrystory stosowane są między innymi w układach sterowania mocą.

Podstawowy pomiar pozwala sprawdzić, czy pomiędzy głównymi elektrodami nie występuje zwarcie.

Pełna diagnostyka tyrystora wymaga jednak sprawdzenia również jego reakcji na sygnał bramkowy oraz zachowania w odpowiednich warunkach pracy.

Pomiar triaków

Triaki są wykorzystywane głównie w układach sterowania prądem przemiennym.

Podczas pomiaru można sprawdzić, czy pomiędzy głównymi elektrodami nie występuje zwarcie oraz czy obwód bramki nie jest zwarty z pozostałymi elektrodami.

Podobnie jak w przypadku tyrystorów, podstawowy test multimetrem pozwala wykryć część uszkodzeń, ale nie zastępuje testu funkcjonalnego.

Pomiar modułów mocy

Moduły mocy stosowane w falownikach i napędach często zawierają kilka tranzystorów oraz diody zwrotne w jednej obudowie.

Podczas diagnostyki należy sprawdzić wszystkie dostępne ścieżki przewodzenia zgodnie ze strukturą danego modułu.

Szczególną uwagę należy zwrócić na:

• zwarcia pomiędzy elektrodami mocy,
• stan diod,
• izolację wejść sterujących,
• różnice pomiędzy poszczególnymi kanałami.

Pomiar elementu w układzie

Pomiar półprzewodnika zamontowanego bezpośrednio na płytce może prowadzić do błędnych wyników.

Na wynik wpływać mogą inne elementy połączone równolegle lub szeregowo z badanym komponentem.

Jeżeli wynik jest niejednoznaczny, warto odłączyć co najmniej jedno wyprowadzenie elementu albo wyjąć go z układu.

Zwarcie nie zawsze oznacza uszkodzenie elementu

Podczas pomiaru może wystąpić niska rezystancja wynikająca z obecności innych elementów w badanym obwodzie.

Dlatego nie należy uznawać każdego pomiaru wskazującego zwarcie za jednoznaczne potwierdzenie uszkodzenia półprzewodnika.

Warto porównać wynik ze schematem, kartą katalogową lub identycznym, sprawnym obwodem.

Pomiar elementów po awarii zwarciowej

Po zwarciu w układzie warto sprawdzić nie tylko element, który wykazuje uszkodzenie, ale również komponenty współpracujące.

Przykładowo uszkodzenie tranzystora mocy może być związane z awarią:

• drivera,
• rezystora bramkowego,
• diody zabezpieczającej,
• układu snubber,
• elementu pomiarowego,
• układu sterowania.

Wymiana samego półprzewodnika może więc nie usunąć rzeczywistej przyczyny awarii.

Porównanie ze sprawnym elementem

Bardzo pomocną metodą diagnostyczną jest porównanie wyników pomiarów uszkodzonego elementu z identycznym, sprawnym komponentem.

Można porównać:

• spadki napięć,
• rezystancje,
• zachowanie złączy,
• temperaturę,
• reakcję na sygnał sterujący.

Takie porównanie jest szczególnie przydatne w przypadku elementów, których nie można jednoznacznie ocenić za pomocą podstawowego testu multimetrem.

Pomiar elementów mocy w urządzeniu

W przypadku półprzewodników pracujących przy wysokich napięciach i prądach sama diagnostyka statyczna może być niewystarczająca.

Po wykonaniu podstawowych pomiarów konieczne może być sprawdzenie elementu podczas rzeczywistej pracy.

Analizowane mogą być:

• przebiegi sterujące,
• napięcia podczas przełączania,
• prądy,
• temperatury,
• reakcja zabezpieczeń.

Takie pomiary pozwalają wykryć usterki, które nie są widoczne przy wyłączonym urządzeniu.

Dokumentowanie wyników

Podczas diagnostyki warto zapisywać wyniki pomiarów dla poszczególnych elementów.

Pomocne jest określenie:

• oznaczenia komponentu,
• typu elementu,
• punktów pomiarowych,
• wartości pomiaru,
• warunków pomiaru,
• wyniku porównania ze sprawnym elementem.

Dokumentacja ułatwia późniejszą analizę oraz potwierdzenie skuteczności naprawy.

Bezpieczeństwo podczas pomiarów

Diagnostyka elementów półprzewodnikowych może wymagać pracy przy urządzeniach, w których występują niebezpieczne napięcia i duże ilości zgromadzonej energii.

Przed wykonaniem pomiarów należy odpowiednio odłączyć urządzenie od zasilania i rozładować obwody magazynujące energię zgodnie z zasadami bezpieczeństwa.

Szczególnej ostrożności wymagają moduły mocy, obwody DC BUS oraz elementy pracujące bezpośrednio przy napięciu sieciowym.

Podsumowanie

Pomiary elementów półprzewodnikowych pozwalają szybko wykryć wiele typowych uszkodzeń elektroniki przemysłowej, takich jak zwarcia, przerwy i nieprawidłowe przewodzenie. Multimetr jest podstawowym narzędziem diagnostycznym, ale w przypadku elementów mocy często konieczne są również pomiary dynamiczne.

Najważniejsze jest analizowanie badanego elementu w kontekście całego układu. Uszkodzony półprzewodnik może być skutkiem awarii innego obwodu, dlatego skuteczna naprawa wymaga znalezienia nie tylko uszkodzonego komponentu, ale również przyczyny jego uszkodzenia.