Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?

Научные направления

Поделиться:
Статья опубликована в №10 (июнь) 2014
Разделы: Электроника
Размещена 06.06.2014. Последняя правка: 06.06.2014.
Просмотров - 4890

Автоматизированный измерительный комплекс вольт-амперных характеристик

Зайцев Роман Валентинович

кандидат технических наук

Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"

старший преподаватель

Аннотация:
Предложен, разработан и создан опытный образец экономичного измерительного комплекса вольт-амперных характеристик для исследования основных элементов электронной техники. Проведенная апробация показала возможность проведения измерений вольт-амперных характеристик со средней погрешностью не превышающей 1%.


Abstract:
Proposed, designed and developed a prototype economical measuring complex current-voltage characteristics for the study of the basic elements of electronic equipment. Conducted testing demonstrated the feasibility of measuring the current-voltage characteristics with an average error not exceeding 1%.


Ключевые слова:
автоматизация; метрология; микроконтроллер; фотоэлектрические преобразователи

Keywords:
automation; metrology; microcontroller; solar cells


УДК 621.472:629.78

В связи с постоянным ростом объемов производства фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) солнечной энергии задача проведения экспрессной, экономичной и достоверной аттестации таких приборов как на этапе разработки и совершенствования, так и на этапе производства приобретает особую важность. Основной и наиболее применяемой методикой аттестации ФЭП остается измерение и аналитическая обработка световых вольт-амперных характеристик (ВАХ) для получения выходных параметров и КПД приборов. В настоящее время за рубежом разработан целый ряд компьютеризированных комплексов, позволяющих производить автоматизированное измерение и аналитическую обработку ВАХ с высокой точностью. Однако данные комплексы отличаются крайне высокой ценой и высокой сложностью, что исключает их использование отечественными разработчиками.
Современные успехи в развитии микроэлектроники, в частности создание достаточно мощных и дешевых микроконтроллеров и компьютеров с ARM и AVR [1-5] архитектурой позволяют определить целью данной работы создание измерительного автоматизированного комплекса на основе микроконтроллера для экспрессной аттестации ФЭП по их ВАХ с достаточно высокой точностью при сохранении низкой стоимости комплекса.
Предлагаемый комплекс выполнен в виде приставки к персональному компьютеру (ПК) и схемотехнически состоит из двух блоков: управляющего и измерительного. Управляющий блок обеспечивает преобразование поступающего от ПК управляющего цифрового сигнала в аналоговую форму и его дальнейшую подачу на исполнительные элементы для создания требуемых физических условий проведения эксперимента. В измерительном блоке на аппаратном уровне реализованы принципы измерения физических параметров исследуемого образца, например тока и напряжения, и их последующее преобразование в цифровую форму для дальнейшей передачи на ПК. Обмен цифровой информацией с установленной на ПК программой управления и обработки данных, производится по стандартному интерфейсу USB.
Конструктивно управляющий блок основан на серийном микроконтроллере ATMega32 [6], с прошивкой прозрачного программного обеспечения, аналогичного программам типа “framework” [7], для обеспечения полного контроля над процессами со стороны программы управления и обработки данных на ПК. Электрическая принципиальная схема микроконтроллерной части блока управления измерительного комплекса приведена на рисунке 1.



Рисунок 1 - Электрическая принципиальная схема микроконтроллерной части блока управления измерительного комплекса

К микроконтроллеру последовательно подключены 10 разрядный цифро-аналоговый преобразователь Analog Devices AD7533 [8] (аналог КР572ПА1) и необходимые операционные усилители, например Texas Instruments LM358 [9] (аналог 154УДЗ). Указанная последовательность включения позволяет на выходе блока задавать напряжение в диапазоне ± 12В при токе до 1А с минимальным шагом около 5 мВ, чего вполне достаточно для проведения исследований ВАХ широкого ассортимента ФЭП различной конструкции. Электрическая принципиальная схема блока управления в целом приведена на рисунке 2.


Рисунок 2 - Электрическая принципиальная схема блока управления в целом

Измерительный блок, во избежание внесения дополнительной погрешности, было решено выполнить на основе калиброванных измерительных приборов, изготавливаемых промышленно, например типа Mastech MS8040, которые имеют цифровой выход по интерфейсу RS232C [10]. При измерении ВАХ ФЭП данные приборы способны выполнять функции измерителей напряжения и тока, а подключенный к ним микроконтроллер обеспечивает преобразование сигналов в цифровую форму и его дальнейшую передачу на ПК по интерфейсу USB.
По предложенным принципиальным схемам был изготовлен измерительный комплекс «Ампер» и разработано необходимое программное обеспечение для управления процессом и обработки и хранения полученных результатов. Общий вид фронтальной панели измерительного комплекса приведен на рисунке 3, вид главного окна управляющей программы приведен на рисунке 4. А на рисунке 5 приведен вид измерительного комплекса в целом для проведения исследований вольт-амперных характеристик.


Рисунок 3 - Общий вид фронтальной панели измерительного комплекса «Ампер»



Рисунок 4 - Вид главного окна программы управления измерительным комплексом



Рисунок 5 - Вид измерительного комплекса «Ампер» в целом для проведения исследований вольт-амперных характеристик

После завершения создания комплекса была проведена его апробация на вольт-амперных характеристиках ключевых элементов электронной техники, таких как резисторы, диоды, фотоэлектрические преобразователи. По результатам проведенной апробации были получены ВАХ исследуемых элементов, измеренных с помощью разработанного комплекса, а также с помощью классических приборов: характериографа, осциллографа, мостов постоянного тока и др. По результатам исследования ВАХ резисторов были получены значения сопротивлений и соответствующие рассчитанные погрешности измерения, приведенные в таблице 1.
Таблица 1 – Значения сопротивлений резисторов, определенные при помощи моста постоянного тока Р4833 RP и при помощи комплекса «Ампер» RA, а также рассчитанные значения погрешности измерения комплекса delta

RP, Ом

RA, Ом

delta, %

1991

2045

1,01

10,13

10,15

0,18

3,33

3,28

1,01


Наряду с резисторами апробация проводилась путем сравнения ВАХ полупроводниковых диодов, например КД208. Полученные ВАХ диода с помощью комплекса «Ампер» и характериографа Л2-56 приведены на рисунке 6,а и 6,б, соответственно.

 

а

 

б

Рисунок 6 - Полученные ВАХ полупроводникового диода КД208:
а - с помощью комплекса «Ампер»; б - с помощью характериографа Л2-56

По полученным ВАХ, приведенным на рисунке 6, был проведен расчет погрешности измерения усреднено по всем точками ВАХ. Усредненная погрешность измерения ВАХ диода не превышает 1 % при максимальном отклонении 1,3 %.
Также апробация проводилась при исследовании световых вольт-амперных характеристик поликристаллических кремниевых фотоэлектрических преобразователей производства Yingli Solar [10]. На рисунке 7 приведены ВАХ типового образца фотоэлектрического преобразователя, полученные с помощью комплекса «Ампер» и с помощью классического метода противо-э.д.с., измеренного в ручном режиме.
Полученные ВАХ фотоэлектрического преобразователя были обработаны с помощью авторского специализированного программного обеспечения с целью получения выходных и диодных параметров, значения которых приведены в таблице 2.

Рисунок 7 - ВАХ типового образца поликристаллического кремниевого фотоэлектрического преобразователя: 1 - измеренная с помощью комплекса «Ампер»; 2 - измеренная в ручном режиме

 

Таблица 2 - Значения выходных и диодных параметров фотоэлектрического преобразователя, определенные с помощью метода противо-э.д.с. в ручном режиме и с помощью комплекса «Ампер»

Параметр

Ручной режим

Комплекс «Ампер»

КПД, %

10,18

10,25

Uxx, мВ

581

585

Iкз, мА

256

256

FF, отн. ед.

0,69

0,69

Рнм, мВт

102

102

Rп, Ом

0,114

0,115

Rш, кОм

15,6

15,3

А, отн. ед.

2,29

2,31

I0, А

1,34×10-6

1,37×10-6

 


Ключевым параметром оценки качества фотоэлектрических преобразователей является их КПД, поэтому оценку погрешности измерения проводили именно по этой величине. Расчет погрешности по КПД позволил установить, что погрешность измерения не превышает 0,7%.
Таким образом, можно сделать вывод, что предложенный измерительный комплекс способен обеспечить проведение экспрессной и экономичной аттестации широкого ассортимента приборов электронной техники, в частности фотоэлектрических преобразователей, с достаточно высокой точностью при средней погрешности измерения не больше 1% путем измерения и последующей аналитической обработки темновых и световых вольт-амперных характеристик исследуемых приборов.

Библиографический список:

1. Mostafa G. Development of an 8-bit RISC microcontroller learning kit using Atmel ATmega32 architecture // Advances in Electrical Engineering (ICAEE), 2013, International Conference on 19-21 Dec. 2013, P. 154 – 159, ISBN 978-1-4799-2463-9.
2. Wei Zhang, LinYi The design of ATmega32 MCU SPI and MAX191 serial A/D communication // Business Management and Electronic Information (BMEI), 2011 International Conference on 13-15 May 2011 (Volume 2), P. 526 – 528, ISBN 978-1-61284-108-3.
3. Zhu Zhengwei, Zhao Huihui, Shen Lin Design of Multi-machine Communication System Based on TWI // Electrical and Control Engineering (ICECE), 2010 International Conference on 25-27 June 2010, P. 3590 – 3593, ISBN 978-1-4244-6880-5.
4. Joseph Yiu The Definitive Guide to ARM® Cortex®-M3 and Cortex®-M4 Processors, Third Edition / Burlington : Elsevier, 2007.
5. Jonathan W. Valvano Embedded Systems: Real-Time Interfacing to the Arm Cortex-M Microcontrollers / CreateSpace Independent Publishing Platform, 2011.
6. Datasheet ATMega32, http://www.atmel.com/devices/ATMEGA32.aspx.
7. Кухтецкий С. AVR-USB-MEGA16: быстрая разработка USB приложений на C# при помощи класса-обертки ATMega16, http://microsin.ru/content/view/812/44/.
8. Datasheet Analog Devices AD7533, http://www.analog.com/static/imported-files/data_sheets/AD7533.pdf.
9. Datasheet Texas Instruments LM358, http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm358.pdf.
10. Yingli Solar, official site, http://www.yinglisolar.com/.




Рецензии:

9.06.2014, 23:43 Каменев Александр Юрьевич
Рецензия: Учитывая, что ВАХ являются основными динамическими характеристиками нелинейных элементов, совершенствование технологии и технических средств их построения является одной из приоритетных задач при исследовании свойств электронных приборов. Поэтому актуальность статьи, посвящённой этим проблемам, не вызывает сомнений. К замечаниям следует отнести нечёткость надписей к элементам принципиальной схемы, изображённой на рис. 1, отсутствие обозначений ряда элементов на схеме, изображённой на рис. 2, а также отсутствие описания методики оценки погрешностей построения ВАХ с использованием предлагаемого опытного образца. Однако указанные недостатки не снижают научной и практической ценности предлагаемого материала. Статью рекомендовать к публикации.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 
▲
Вверх