СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДВУХПОЛЮСНИКОВ С ИЗВЕСТНЫМ ТЕМПЕРАТУРНЫМ КОЭФФИЦИЕНТОМ СОПРОТИВЛЕНИЯ Российский патент 2001 года по МПК G01R31/26 

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

Известны способы измерения теплового сопротивления двухполюсников, в частности диодов [см. Аронов В.А., Федотов Я.А. Исследование и испытание полупроводниковых приборов. - М. : Высшая школа, 1975 г. - 325 с. и ГОСТ 19656. 15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления, с. 15 и 16] , основанные на использовании известной температурной зависимости падения напряжения на двухполюснике при заданном постоянном измерительном токе и заключающиеся в том, что через контролируемый двухполюсник пропускают небольшой по величине (исключающей саморазогрев) измерительный ток, подают на двухполюсник импульсы греющего тока, измеряют рассеиваемую в двухполюснике греющую мощность, а в промежутках между импульсами греющего тока измеряют температурочувствительный параметр - изменение падения напряжения на двухполюснике, по которым и определяют искомое тепловое сопротивление.

Недостатками известных способов являются 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 двухполюснике до и после разогрева и 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.], реализуемый в известном устройстве для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов [см. патент РФ N 2087919. Устройство для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов. Бюл. N 23, 1997 г.], в котором на контролируемый диод подают импульсы греющего 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 греющего тока через диод пропускают постоянный небольшой по величине измерительный ток, измеряют переменную составляющую греющей мощности, а в качестве температурочувствительного параметра - амплитуду огибающей напряжения на диоде, по значениям которых определяют тепловое сопротивление.

Недостатками этого способа являются большая погрешность, обусловленная косвенным определением искомого параметра по прямым измерениям трех различных электрических величин: амплитуды огибающей напряжения на диоде, переменной составляющей греющей мощности как произведения тока на напряжение, а также сложность аппаратной 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 через контролируемый двухполюсник с известным температурным коэффициентом сопротивления пропускают греющий ток, величину которого изменяют по гармоническому закону с фиксированной амплитудой и периодом T, на порядок большим тепловой постоянной времени двухполюсника, и измеряют в качестве температурочувствительного параметра изменение падения напряжения на двухполюснике.

Особенность заключается в том, что изменение падения напряжения на двухполюснике измеряют на двух частотах: на частоте Ω = 2π/T изменения греющего тока и на частоте, в три раза превышающей частоту Ω изменения греющего тока, и по амплитуде первой и третьей гармоники изменения падения напряжения на двухполюснике определяют искомую величину теплового сопротивления контролируемого двухполюсника.

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, повышение 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 в виду 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".

Сущность предлагаемого способа состоит в следующем. Активное сопротивление R любого двухполюсника в той или иной степени зависит от температуры рабочего тела (активной области) элемента. Двухполюсники с сильной зависимостью активного сопротивления от температуры (терморезисторы, термисторы и т. п.) используются как датчики температуры.

В общем случае при небольшом изменении температуры ΔT рабочего тела двухполюсника относительно некоторого постоянного значения T₀ (T₀ >> ΔT) активное сопротивление двухполюсника можно описать линейной функцией вида:
R_t=R₀(1+αΔT), (1)
где R_t - сопротивление двухполюсника при температуре T₀+ ΔT,
R₀ - сопротивление двухполюсника при заданной температуре окружающей среды T₀,
α - температурный коэффициент сопротивления (ТКС) двухполюсника [1/K].

При пропускании через двухполюсник медленно изменяющегося греющего тока I(t) изменение температуры ΔT рабочего тела двухполюсника в результате саморазогрева будет "отслеживать" изменение мгновенной мощности P(t), рассеиваемой двухполюсником
ΔT=Z_TP(t)=Z_TR_tI²(t), (2)
где через Z_T обозначено тепловое сопротивление (в общем случае - модуль теплового импеданса) двухполюсника. Подставляя (2) в (1) и разрешив полученное уравнение относительно R_t, получим

Падение напряжения на двухполюснике соответственно будет определяться соотношением

Если изменение температуры ΔT двухполюсника в результате саморазогрева мало по сравнению с температурой окружающей среды T₀ (при которой активное сопротивление двухполюсника равно R₀), то есть R₀Z_TαI²(t) << 1, то падение напряжения на двухполюснике с точностью до членов второго порядка малости по ΔT/T₀ можно записать в виде
U(t)=R₀(1+R₀Z_TαI²(t))I(t) (5)
При изменении греющего тока I(t) по гармоническому закону I(t)= I_msinΩt с учетом известного тригонометрического соотношения для sin3Ωt из (5) следует, что изменение падения напряжения на двухполюснике будет содержать только первую U_m1 и третью U_m3 гармоники:

Измерив амплитуды первой U_m1 и третьей U_m3 гармоник изменения падения напряжения, можно получить систему уравнений

Разрешая эту систему относительно Z_Т, получим

Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления - при осуществлении предлагаемого способа достигается тем, что по сравнению с известным способом искомая величина определяется по результатам измерения всего двух электрических величин (амплитуды первой и третьей гармоник изменения падения напряжения на двухполюснике); измерение изменения падения напряжения может быть произведено стандартной аппаратурой с погрешностью не выше 0.2% и погрешность определения теплового сопротивления будет определяться практически только погрешностью задания ТКС - α и амплитуды греющего тока I_m.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на чертеже.

Устройство содержит источник 1 тока I(t), изменяющегося по гармоническому закону с фиксированной амплитудой I_m и периодом T; клеммы 2 и 3 для подключения контролируемого двухполюсника, активный фильтр 4 верхних частот с полосой подавления, лежащей ниже частоты 2Ω, где Ω = 2π/T, и коэффициентом усиления на частоте 3Ω, равным 4, ключ 5, пиковый детектор с открытым входом 6, вольтметр 7.

Устройство работает следующим образом. В клеммы 2 и 3 подключают контролируемый двухполюсник и запускают генератор тока 1. Ключ 5 устанавливают в положение A (верхнее) и измеряют вольтметром 7 напряжение на выходе пикового детектора 6, которое в этом положении ключа равно U_a=4U_m3. Затем переводят ключ в положение Б (нижнее) и вновь измеряют напряжение на выходе пикового детектора U_в, которое в этом случае будет равно сумме амплитуд первой и третьей гармоники: U_в=U_m1+U_m3. По результатам этих измерений и по известным значениям амплитуды тока I_m и температурного коэффициента сопротивления α двухполюсника определяют искомое тепловое сопротивление:

Использование: для контроля качества изделий электронной техники и для оценки их температурных запасов. Технический результат заключается в повышении точности измерения теплового сопротивления двухполюсников и снижении затрат. Предлагается способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным температурным коэффициентом сопротивления, заключающийся в том, что через контролируемый двухполюсник пропускают греющий ток, величину которого изменяют по гармоническому закону с фиксированной амплитудой и периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени двухполюсника. Измеряют изменение падения напряжения на двухполюснике на двух частотах: на частоте изменения греющего тока и на частоте, в три раза превышающей частоту изменения греющего тока, и по амплитудам первой U_m1 и третьей U_m3 гармоник изменения падения напряжения определяют величину теплового сопротивления контролируемого двухполюсника по формуле Z_т = (1/α • I_m) • [U_a/(U_b - U_a)²], где α - температурный коэффициент сопротивления, I_m - амплитуда греющего тока, U_a = 4U_m3, U_b = U_m1 + U_m3. 1 ил.

Способ измерения теплового сопротивления двухполюсников с известным температурным коэффициентом сопротивления, заключающийся в том, что через контролируемый двухполюсник пропускают греющий ток, величину которого изменяют по гармоническому закону с фиксированной амплитудой I_m и периодом T, на порядок большим тепловой постоянной времени двухполюсника, и измеряют изменение падения напряжения на двухполюснике, отличающийся тем, что изменение падения напряжения на двухполюснике измеряют на двух частотах: на частоте изменения греющего тока и на частоте, в три раза превышающей частоту изменения греющего тока, а тепловое сопротивление определяют по известным значениям амплитуды греющего тока I_m и температурного коэффициента сопротивления α, а также по амплитудам U_m1 и U_m3 соответственно первой и третьей гармоник изменения падения напряжения, измеренного на контролируемом двухполюснике, по формуле

где U_a = 4U_m3;
U_в = U_m1 + U_m3.