Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным положительным температурным коэффициентом тока

 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов радиоэлектронной аппаратуры, в частности полупроводниковых диодов, и предназначено для контроля качества изделий электронной техники и для оценки их температурных запасов. Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления двухполюсников и снижение аппаратурных затрат. Предлагается способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным положительным температурным коэффициентом тока, заключающийся в том, что на контролируемый двухполюсник подают импульс греющего постоянного тока и измеряют изменение температурочувствительного параметра, отличающийся тем, что до подачи импульса греющего тока параллельно контролируемому двухполюснику подключают образцовый двухполюсник с известным тепловым сопротивлением и измеряют изменение величины тока, протекающего через образцовый двухполюсник, до и после разогрева и по величине этого изменения определяют величины теплового сопротивления контролируемого двухполюсника. Для обеспечения равенства мгновенных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками в начальный момент времени до их разогрева, включают последовательно с двухполюсниками подстроечные резисторы, подают последовательность коротких импульсов тока большой скважности и амплитудой, равной амплитуде импульса греющего тока, устанавливают сопротивления подстроечных резисторов такой величины, чтобы выполнялось равенство мгновенных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, а затем подают импульс постоянного греющего тока и измеряют изменение температурочувствительного параметра. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов радиоэлектронной аппаратуры, в частности полупроводниковых диодов, и может быть использовано для контроля качества изделий электронной техники и для оценки их температурных запасов.

Известен способ измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов [Аронов В.А., Федотов Я.А. Исследование и испытание полупроводниковых приборов. - М.: Высшая школа, 1975 г. - 325 с.], основанный на использовании известной зависимости прямого напряжения диода от температуры при разогреве диода импульсами прямого тока, заключающийся в том, что исследуемому диоду с известным температурным коэффициентом напряжения задают небольшой по величине прямой начальный ток, исключающий заметный саморазогрев диода, подают на диод греющие импульсы прямого тока, при этом измеряют рассеиваемую в диоде мощность, а также изменение температурочувствительного параметра - прямого напряжения диода при заданном постоянном начальном токе; по величине этого изменения прямого напряжения диода определяют искомую величину.

Недостатком известного способа является большая погрешность, обусловленная, с одной стороны, переходными электрическими и тепловыми процессами при переключении двухполюсника из одного режима в другой, а с другой стороны, необходимостью совместного измерения фактически четырех электрических величин: напряжения на диоде до и после разогрева и греющего тока, разогревающей мощности как произведения разогревающего тока на напряжение.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов [см. патент РФ N 2003128. Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов. - Бюл. N 41-42, 1993 г.], в котором на контролируемый диод подают греющие импульсы тока, амплитуда которых модулируется по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени переход-корпус для данного типа диодов, в промежутках между импульсами через диод пропускают постоянный начальный ток и измеряют в качестве температурочувствительного параметра переменную составляющую огибающей напряжения на диоде и греющей мощности, по значениям которых определяют тепловое сопротивление.

Недостатком этого способа являются большая погрешность, обусловленная косвенным определением искомого параметра по прямым измерениям трех различных электрических величин (переменная составляющая напряжения на диоде и переменная составляющая греющей мощности как произведение тока на напряжение), а также сложность аппаратурной реализации.

Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления двухполюсников и снижение аппаратурных затрат, необходимых для реализации способа.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что на контролируемый двухполюсник подают греющий импульс постоянного тока и измеряют температурочувствительный параметр.

Особенность заключается в том, что до подачи импульса тока параллельно контролируемому двухполюснику подключают образцовый двухполюсник с известным тепловым сопротивлением, измеряют величину тока, протекающего через образцовый двухполюсник в начальный момент времени и после разогрева протекающим током, и по разнице измеренных значений тока определяют величину теплового сопротивления контролируемого двухполюсника.

Другой особенностью является то, что для обеспечения равенства мгновенных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками в начальный момент времени до их разогрева, включают последовательно с двухполюсниками подстроечные резисторы, подают последовательность коротких импульсов тока большой скважности и амплитудой, равной амплитуде импульса греющего тока, устанавливают сопротивления подстроечных резисторов такой величины, чтобы выполнялось равенство мгновенных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, а затем подают импульс постоянного греющего тока и измеряют изменение температурочувствительного параметра.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощения, уменьшения массы, габаритов, материалоемкости, повышения надежности и пр.) - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется ввиду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлено: на фиг. 1 - схема, поясняющая сущность способа, на фиг. 2 - вольт-амперная характеристика параллельно соединенных двухполюсников при подаче постоянного тока I₀, на фиг. 3 - структурная схема устройства, реализующего способ.

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. В общем случае ток через двухполюсник любого вида зависит от приложенного напряжения U и температуры активной области двухполюсника:
I= Ψ (U,T). (1)
Температура активной области двухполюсника в приближении одномерной теплоэлектрической модели в статическом режиме выражается простой формулой:

где Т₀ - температура окружающей среды, R_т - тепловое сопротивление двухполюсника, I - ток через двухполюсник, U - напряжение на двухполюснике. Обычно в реальных режимах работы компонентов РЭА изменение температуры ΔТ активной области элемента невелико по сравнению с температурой окружающей среды, т. е. ΔТ << Т₀. При этом нетрудно показать, что при небольших значениях разогрева активной области двухполюсника (ΔТ/Т₀ ≤ 0.1-0.2) вольт-амперную характеристику (ВАХ) практически любого двухполюсника с положительным температурным коэффициентом тока можно представить в виде
I = F(U, Т₀) + k(U, Т₀) ΔТ. (3)
При параллельном соединении однотипных двухполюсников, один из которых образцовый 1, а второй - контролируемый 2, и при пропускании через них постоянного тока I₀, задаваемого источником тока 3 (см. фиг. 1), токи I₁ и I₂, протекающие через первый и второй двухполюсники соответственно, можно записать в виде

При этом очевидно I₁ + I₂ = I₀.

Для однотипных двухполюсников параметры ВАХ, как правило, одинаковы или очень близки, поэтому для более наглядного пояснения сущности предлагаемого способа рассмотрим случай, когда параметры ВАХ двухполюсников идентичны:
F₁(U, Т₀) = F₂(U, Т₀) = F(U, Т₀) и k₁(U, Т₀) = k₂(U, Т₀) = k (U, Т₀).

В этом случае токи I₁ и I₂ будут выражаться формулами

а разность токов ΔI = I₂ - I₁ запишется с учетом (2) в виде
ΔI = f(U, T₀) [ΔT₂-ΔT₁] = k (U, T₀) U [R_T2I₂ - R_T1I₁], (6)
где R_Т1 - тепловое сопротивление первого (образцового) двухполюсника, а R_Т2 - тепловое сопротивление второго (контролируемого) двухполюсника. Если представить тепловые сопротивления контролируемого двухполюсника в виде
R_Т2 = R_Т1 + ΔR_Т, (7)
то из (6) нетрудно получить выражение для разности тепловых сопротивлений ΔR_Т:

Обозначив через A и выразив I₂ через I₀ и ΔI, получим

Температурный коэффициент тока k(U, Т₀) находится предварительной калибровкой в термостате. Коэффициент А определяется (вычисляется) по результатам измерения напряжения при известной температуре Т₀, причем следует отметить, что величина А слабо зависит от разности токов ΔI и определяется величинами тока I₀ и температуры Т₀.

На фиг. 2 представлены для примера ВАХ двух параллельно соединенных двухполюсников с идентичными электрическими параметрами: кривые 1 и 2 - сразу после подачи на них греющего тока I₀ (в момент времени t=0, то есть до разогрева активной области двухполюсников), кривые 3 и 4 -в стационарном тепловом режиме, то есть после разогрева. Сразу после подачи тока I₀ токи I₁ и I₂, протекающие через двухполюсники, одинаковы. После разогрева равновесие токов нарушится и больший ток протекает через двухполюсник с большим тепловым сопротивлением. В рассматриваемом примере I₁ > I₂, то есть R_Т1> R_Т2.

Технический результат - повышение точности измерения - при осуществлении предлагаемого способа достигается тем, что по сравнению с известным способом искомая величина определяется по результатам фактически одного измерения величины тока, протекающего через один из двухполюсников, например I₁, поскольку ΔI = I₀-2I₁, а параметр A const. При этом аппаратурная реализация способа упрощается до трех элементов - источник тока, образцовый двухполюсник и амперметр. Измерение постоянного тока и напряжения может быть произведено с высокой точностью (~ 0.1%), так что погрешность измерения будет измеряться практически только точностью задания температурного коэффициента тока.

Если электрические параметры контролируемого и образцового двухполюсников различны, то необходимо выровнять мощности, рассеиваемые двухполюсниками в начальный момент подачи греющего тока. Это можно сделать, включив (см. фиг. 3) последовательно с двухполюсниками небольшие подстроечные резисторы 4 и 5 с сопротивлениями соответственно r₁ и r₂, величина которых подбирается из условия равенства рассеиваемых мощностей, в начальный момент P₁₀ = P₂₀:
I₁(U - r₁I₁) = I₂(U - r₂I₂). (10)
Операция выравнивания начальных рассеиваемых мощностей может быть проведена путем подачи очень коротких импульсов тока I₀, длительностью τ_U ≪ τ_T, где τ_T - тепловая постоянная времени двухполюсников, и большой скважности Q > 100. Такие импульсы не будут вызывать заметного изменения температуры двухполюсников. Измеряя в этом режиме осциллографом 6 амплитуду напряжения U на двухполюсниках и амперметром 7 импульсный ток через один из двухполюсников, например I₁₀, а также изменяя значения подстроечных резисторов, добиваются выполнения условия (10) равенства начальных рассеиваемых мощностей. После выравнивания начальных мощностей в импульсном режиме подают постоянный ток I₀ и измеряют ток, протекающий через образцовый двухполюсник I₁. По изменению тока I₁ определяют искомую величину - тепловое сопротивление.

Формула изобретения

1. Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным положительным температурным коэффициентом тока, заключающийся в том, что на контролируемый двухполюсник подают импульс греющего постоянного тока и измеряют изменение температурочувствительного параметра, отличающийся тем, что до подачи импульса греющего тока параллельно контролируемому двухполюснику подключают образцовый двухполюсник с известным тепловым сопротивлением, измеряют величину тока образцового двухполюсника и напряжение на образцовом двухполюснике после разогрева и определяют величину теплового сопротивления контролируемого двухполюсника по формуле
R_T2 = R_T1 + ΔR_T,
где

R_T1 = тепловое сопротивление образцового двухполюсника; ΔI = I₀ - 2I₁, где I₁ - ток образцового двухполюсника после разогрева;
I₀ - величина постоянного тока;
k - температурный коэффициент тока двухполюсников;
U - падение напряжения на образцовом двухполюснике после разогрева.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что последовательно с контролируемым и образцовым двухполюсником включают подстроечные резисторы, подают последовательность коротких импульсов тока большой скважности и амплитудой, равной величине постоянного греющего тока, устанавливают сопротивление подстроечных резисторов такой величины, чтобы выполнялось равенство мгновенных мощностей, рассеиваемых контролируемым и образцовым двухполюсниками, после выравнивания мгновенных мощностей подают импульс греющего тока и измеряют величину тока, протекающего через образцовый двухполюсник.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3