УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД - КОРПУС ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном контроле качества и для оценки их температурных запасов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в уменьшении аппаратурных затрат и времени измерения теплового сопротивления.

Известен метод измерения теплового сопротивления переход корпус диодов (см. например, ГОСТ 19656. 15 84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход корпус и импульсного теплового сопротивления. С. 15, 16) с использованием зависимости прямого напряжения диода от температуры при разогреве его импульсами прямого тока, заключающийся в том, что исследуемому диоду задают небольшой по величине прямой начальный ток, исключающий саморазогрев диода, подают на диод греющие импульсы прямого тока, измеряют рассеиваемую в диоде мощность и измеряют изменение прямого напряжения диода, используемого в качестве температурочувствительного параметра.

Недостатком способа является большая погрешность измерения амплитуды импульса напряжения диода, изменяющегося по экспоненциальному закону, а также погрешность, вызванная влиянием остаточного потенциала на диоде.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство (см. например, Описание изобретения к патенту N 2003128, Сергеев В.А. Юдин В.В. Способ определения теплового сопротивления переход корпус полупроводниковых диодов. Опубл. 15. 11. 93. Бюл. N 41 42), содержащее исследуемый диод, источник начального тока, источник греющего тока, генератор управляющих импульсов, усилитель- ограничитель, вольтметр действующего значения, осциллограф, инвертирующий усилитель-ограничитель, детектор, селективный вольтметр, токосъемный низкоомный резистор, электронный коммутатор тока и коммутатор режима измерения.

Недостатком прототипа являются большие аппаратурные затраты для реализации работы усилителя- ограничителя в автоматическом режиме по ограничению снизу измеряемого сигнала на величину наименьшей огибающей тока I_огр и напряжения на диоде U_огр, которые будут различными для разных типов диодов. При ручной установке уровней I_огр и U_огр увеличивается время измерения.

Цель изобретения уменьшение аппаратурных затрат при измерении теплового сопротивления.

Для достижения поставленной цели заявляемое изобретение устройство для измерения теплового сопротивления переход корпус полупроводниковых диодов содержит следующие общие, выраженные определенным понятием существенные признаки, совокупность которых направлена на решение только одной связанной с целью изобретения задачи, а именно источник начального тока, источник греющего тока, генератор управляющих импульсов, инвертирующий усилитель-ограничитель, детектор напряжения температурочувствительного параметра, детектор греющего тока и напряжения на диоде, селективный вольтметр, электронный коммутатор тока, коммутатор режима измерения греющего тока и напряжения на диоде, коммутатор режима измерения напряжения температурочувствительного параметра и составляющих греющей мощности (греющего тока и напряжения диода), токосъемный низкоомный резистор, разделительный конденсатор.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки. У прототипа измерение греющего тока I и напряжения на диоде U, являющиеся составляющими при определении греющей мощности ΔP I•U и представляющие собой сигналы сложной формы, возможно только при автоматическом или ручном ограничении уровня сигнала на величину наименьшей амплитуды огибающей греющего тока или напряжения диода. В представленном авторами изобретении осуществляется измерение модулирующего (огибающей) греющего тока и напряжения диода, а форма сигнала учитывается в окончательном выражении для определения теплового сопротивления в виде коэффициента, зависящего от длительности импульсов греющего тока τ_и и их периода следования T, значения которых известны. Так как моделирующий сигнал представляет собой простой гармонический сигнал, то и измерение его возможно селективным вольтметром, использованным в прототипе только при измерении напряжения температурочувствительного параметра.

Осуществление измерения модулирующего сигнала на частоте Ω_м возможно при введении второго детектора для демодуляции амплитудно-импульсного модулированного греющего тока и напряжения на диоде. Разделительный конденсатор C_p предназначен для отсечки постоянной составляющей греющего тока и напряжения диода. Второй коммутатор режима измерения осуществляет переключение вольтметра из режима измерения напряжения температурочувствительного параметра в режим измерения составляющих греющей мощности.

Между отличительными признаками и целью изобретения существует следующая причинно-следственная связь. Для измерения составляющих греющей мощности ΔP второй детектор демодулирует греющий ток и напряжение на диоде. С выхода детектора сигнал на частоте модуляции Ω_м например, греющий ток, имеет вид
i = (I_msinΩ_мt+I_m)+I_огр, (1)
где I_m амплитудное значение греющего тока,
I_огр наименьшая амплитуда огибающей греющего тока.

В выражении (1) сумма токов в скобках представляет собой ток, являющийся составляющим приращения мощности ΔP Ток I_огр создает греющую мощность неизменной величины и не влияет на определение теплового сопротивления. Выражение (1) перепишем в виде
i = I_msinΩ_мt+I_m (2)
Действующее значение греющего тока I запишется в виде

где Т_м период модулирующего сигнала.

С учетом моделируемых по амплитуде импульсов длительностью и периодом Т (см. например, Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 11, издание седьмое. М. Наука, 1969, с. 154)

Решая выражение (4), получим выражение для действующего значения тока на выходе второго детектора
I_д= I_m(3τ_и/2T)^1/2 (5)
Выражая ток I_m через измеренное значение тока селективным вольтметром окончательно получим выражение для греющего тока через измеренное действующее значение огибающей переменного тока на частоте модуляции Ω_м в зависимости от скважности греющих импульсов

Учитывая, что изменение напряжения на диоде при подаче на него греющего тока по форме повторяет его, так как измерение осуществляется на линейном участке ВАХ диода, то по аналогии с греющим током I запишем измерение напряжения U через измеренное действующее значение напряжения селективным вольтметром

Приращение греющей мощности и выражение для определения теплового сопротивления переход корпус диодов будет иметь вид

где TKU известный температурный коэффициент напряжения температурочувствительного параметра,
К величина постоянная, входящие в нее параметры задаются предварительно .

Второй коммутатор позволяет использовать селективный вольтметр как при измерении напряжения температурочувствительного параметра, так и при измерении тока и напряжения Измерение тока можно осуществить однажды перед измерением партии диодов.

По имеющимся у автора сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат новое свойство объекта совокупность признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована при измерении теплового сопротивления полупроводниковых приборов, имеющих p-n- переход или группу р-n-переходов (транзисторы, микросхемы и т. д.) с получением технического результата, заключающегося в определении греющего тока I и напряжения на диоде U через измеренные действующие значения огибающей тока и напряжения обуславливающего достижение поставленной цели уменьшение аппаратурных затрат при измерении теплового сопротивления, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется графическим материалом (см. чертеж), на котором изображена структурная схема устройства, содержащая источник начального тока 1, источник греющего тока 2, генератор управляющих импульсов 3, инвертирующий усилитель-ограничитель 4, детекторы 5 и 6, селективный вольтметр 7, исследуемый диод ИД, электронный коммутатор тока КЭ, коммутаторы режима измерения К1 и К2, токосъемный низкоомный резистор R, разделительный конденсатор Ср.

Заявляемое согласно формуле изобретения устройство для измерения теплового сопротивления переход корпус полупроводниковых диодов содержит источник начального тока 1, выход которого соединен с одним из коммутируемых входов электронного коммутатора КЭ, источник греющего тока 2, выход которого соединен с другим коммутируемым входом электронного коммутатора КЭ, генератор управляющих импульсов 3, выход которого соединен с входом управления электронным коммутатором КЭ, исследуемый диод ИД, первый вывод которого соединен с выходом электронного коммутатора КЭ, инвертиру ющий усилитель-ограничитель 4, вход которого соединен с первым выводом исследуемого диода ИД, детектор 5, вход которого соединен с выходом усилителя- ограничителя 4, а выход с первым неподвижным контактом второго коммутатора К2 режима измерений, детектор 6, вход которого соединен с подвижным контактом первой группы коммутатора К1.1, а выход через разделительный конденсатор Ср соединен с вторым неподвижным контактом второго коммутатора К2, селективный вольтметр 7, вход которого соединен с подвижным контактом коммутатора К2, токосъемный низкоомный резистор R, соединенный с вторым выводом исследуемого диода ИД и с связанными вторым неподвижным контактом первой группы коммутатора К1.1 и первым контактом второй группы коммутатора К1. 2 и с общей шиной питания с другой стороны, а второй контакт второй группы коммутатора К1.2 соединен с общей шиной питания.

В процессе работы источник начального тока 1 вырабатывает постоянный ток I_нач., а источник греющего тока 2 ток, изменяющийся по гармоническому закону с частотой модуляции Ω_м и имеющий постоянную составляющую, превышающую I_m (см. например, выражение (1) описания изобретения). Генератор управляющих импульсов 3 вырабатывает импульсы длительностью τ_и и периодом следования Т, поступающие на вход управления электронного коммутатора КЭ. За время действия импульса длительностью τ_и с выхода электронного коммутатора КЭ на анод исследуемого диода ИД поступает импульс греющего тока, амплитуда которого изменяется по гармоническому закону. За время паузы между импульсами τ_п на исследуемый диод поступает ток I_нач. Импульсы тока на токосъемном резисторе R преобразуются в импульсы напряжения. При измерении напряжения на диоде U токосъемный резистор R закорачивается контактами коммутатора К1.2. Это же напряжение подается на вход инвертирующего усилителя-ограничителя 4 и детектором 5 выделяется напряжение температурочувствительного параметра которое измеряется селективным вольтметром 7 на частоте модуляции Ω_м подключенным через контакты коммутатора К2, находящегося в положении . При переключении коммутатора в положение измерения составляющих греющей мощности ΔP измеряются или напряжение на диоде , или ток с токосъемного резистора в зависимости от положения коммутатора К1 (U или I). Сигнал с диода ИД при закороченном резисторе R (при измерении напряжения диода U) или с токосъемного резистора R (при измерении греющего тока I) демодулируется детектором 6. Конденсатором Ср отсекается постоянная составляющая сигнала и селективным вольтметром измеряется напряжение сигнала, соответствующее огибающей напряжения на диоде или греющего тока на частоте модуляции Ω.

Для определения теплового сопротивления переход корпус исследуемого диода измеренные величины подставляются в выражения (6), (7) и (8) описания изобретения.

Как показали результаты опытной проверки, при использовании заявляемого устройства для измерения теплового сопротивления переход корпус полупроводниковых диодов обеспечивается уменьшение аппаратурных затрат.

Согласно данным проведенных экспериментов, заявляемое изобретение может быть использовано в народном хозяйстве и в сравнении с прототипом обладает следующими преимуществами, а именно существенно уменьшились массогабаритные показатели устройства, его цена и увеличилась надежность работы.

Заявляемое устройство для измерения теплового сопротивления переход - корпус полупроводниковых диодов представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит упростить процедуру измерения.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение можно использовать в технике измерения параметров полупроводниковых диодов. С целью уменьшения аппаратурных затрат при измерении теплового сопротивления предлагается устройство, содержащее источник начального тока, источник греющего тока, генератор управляющих импульсов, инвертирующий усилитель- ограничитель, первый детектор напряжения температурочувствительного параметра, детектор греющего тока и напряжения на диоде, селективный вольтметр, электронный коммутатор, первый коммутатор режима измерения греющего тока и напряжения на диоде, второй коммутатор режима измерения напряжения температурочувствительного параметра и составляющих греющей мощности, токосъемный резистор, разделительный конденсатор. 1 ил.

Устройство для измерения теплового сопротивления переход корпус полупроводниковых диодов, содержащее источник начального тока в виде источника постоянного тока, источник греющего тока в виде источника импульсов, модулируемых по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени переход корпус исследуемого диода, подключенные через переключающий контакт электронного коммутатора тока к последовательно включенным исследуемому диоду и токосъемному низкоомному резистору, генератор управляющих импульсов, соединенный выходом с входом управления электронного коммутатора тока, инвертирующий усилитель-ограничитель, входом соединенный с исследуемым диодом, а выходом через первый детектор с селективным вольтметром, кроме того, первый коммутатор режима измерения, первый неподвижный контакт первой группы которого подключен к общей точке первого вывода исследуемого диода, электронного коммутатора и инвертирующего усилителя-ограничителя, а второй неподвижный контакт подсоединен к общей точке второго вывода исследуемого диода, низкоомного токосъемного резистора и первого контакта второй группы, второй контакт которой соединен с общим выводом схемы, отличающееся тем, что введен второй детектор, второй коммутатор режима измерения и разделительный конденсатор, при этом вход второго детектора соединен с подвижным контактом первой группы первого коммутатора режима измерений, а выход второго детектора через разделительный конденсатор соединен с первым неподвижным контактом второго коммутатора режима измерений, второй неподвижный контакт которого соединен с выходом первого детектора, а его неподвижный контакт соединен с входом селективного вольтметра.