СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА Российский патент 2001 года по МПК G05B23/02 

Изобретение относится к области испытаний, неразрушающего контроля и диагностики для электронных приборов. В настоящее время в промышленности, на транспорте устанавливается большое количество электронных приборов, работающих в ключевом или активном режимах. Такими приборами могут быть электронные ключи и регуляторы, выполненные на биполярных или полевых транзисторах.

Ключевой режим работы прибора характеризуется относительно низким напряжением на силовых электродах прибора, находящегося во включенном состоянии и невысоким значениям рассеиваемой прибором мощности. В этом режиме увеличение амплитуды сигнала управления, поступающего на вход управления устройства, практически не оказывает влияния на его выходной сигнал.

В активном режиме работы электронного прибора наоборот, небольшие изменения амплитуды сигнала управления приводят к значительным изменениям в выходном сигнале прибора в соответствии с коэффициентом усиления прибора в указанном режиме.

Нахождение прибора в активном режиме характеризуется повышенными величинами падения напряжения на силовых электродах и выделяемой мощности. Работа прибора в том или ином режиме определяется его схемным назначением в разрабатываемой системе автоматики. Однако, имеется большое число устройств автоматики, например, регуляторы мощности (см. Fox A. A. Remote power controllers for the NASA Space Shuttle orbiter, Alll paper, 1977, N 494), где основной режим работы электронного прибора - ключевой, с кратковременной работой в активном режиме. В процессе отладки, настройки и эксплуатации таких устройств возникает необходимость определения перехода режима работы электронного прибора из ключевого в активный и обратно, времени нахождения прибора в активном режиме и параметры выполнения указанного режима. Часто даже кратковременное пребывание силового электронного прибора в активном режиме способно привести к необратимым явлениям в кристаллической структуре мощного электронного прибора и привести к его отказу.

В настоящее время существует ряд косвенных способов получения информации о том, в каком режиме работы находится прибор в данный момент времени. Например, необходимо измерить ток через силовые электроды прибора, напряжения на его электродах, сравнить с техническими характеристиками на прибор и по результатам сравнения сделать заключение, (см. П.А. Попов. Характеристики транзистора. М. -Л., Госэнергоиздат,1963 стр. 5-9). Однако, такой способ не позволяет однозначно определить в каком режиме находится прибор, т.к. характеристики каждого реального прибора могут отличаться от приведенных в технических условиях на него.

Указанный недостаток устранен в способе испытания электронного прибора, основанном на подаче сигнала управления на вход прибора и анализе выходного сигнала прибора.

В качестве выходного сигнала прибора используется излучение электронного прибора (регулятора мощности) в инфракрасном диапазоне. Производится нагружение прибора фиксированной нагрузкой, и осуществляется сканирование поверхности кристаллов силовых транзисторов электронного прибора, выделяются области с наиболее высокой температурой, значение которой сравниваются с максимально допустимым значением, на основании чего производится заключение о допустимости работы прибора в таком режиме.

Этот способ приведен в Fox A.A. Remote power controllers for the NASA Space Shuttle orbiter, AIII paper, 1977, N 494, стр. 5-6.

Способ обладает высокой адаптивностью в определении режима работы прибора, поскольку учитывает все индивидуальные особенности каждого прибора.

Однако такой способ не обеспечивает определение момента перехода электронного прибора из одного режима работы в другой ввиду того, что процесс измерения величин и сравнения их с предварительно снятой выходной характеристикой прибора требует больших временных затрат при использовании системы термовидения. Процесс разогрева кристаллов силовых транзисторов прибора является инерционным. Если в процессе контроля режима происходят изменения величин входных сигналов, выходных токов и напряжений прибора, то режим работы прибора может также быстро изменяться. Следовательно, инерционность процесса не позволяет контролировать режим работы этого электронного прибора в процессе функционирования последнего ввиду того, что нет определения момента перехода электронного прибора из одного режима работы в другой. Отсутствие такого определения не позволяет фиксировать момент перехода электронного прибора из одного режима в другой, выявить возникновение такого опасного режима (особенно кратковременное, когда разогрева силовых транзисторов электронного прибора не происходит), и принять своевременно необходимые меры, например по защите прибора от перегрева при его длительной работе в активном режиме.

Техническим решением изобретения является определение момента перехода электронного прибора из ключевого режима в активный и обратно в процессе работы прибора.

Указанное техническое решение достигается тем, что в способе испытания электронного прибора, основанном на подаче сигнала управления на вход прибора и анализе выходного сигнала, одновременно с сигналом управления на вход прибора подают дополнительно переменный сигнал управления частотой f₀, формируют во времени профиль нагрузки электронного прибора, выделяют из выходного сигнала импульсную составляющую частотой kf₀, где k = 2, 4, 6, .... - соответствует номеру выбранной гармоники, при этом амплитуда переменного сигнала управления пропорциональна точности определения момента перехода электронного прибора из одного режима в другой, определяют параметры профиля нагрузки, соответствующие моменту прихода импульсной составляющей частотой kf₀, и по длительности между двумя соседними импульсными последовательностями и величине нагрузки электронного прибора, определяемой по формируемому профилю, судят о длительности и напряженности режима работы электронного прибора.

Предложенное техническое решение, в отличие от прототипа, предусматривает подачу, дополнительно к сигналу управления, переменного сигнала управления с заранее известной частотой f₀. Это обстоятельство позволяет исследовать спектр выходного сигнала электронного прибора в строго определенных зонах частотного спектра. В данном случае, это составляющие с частотами, кратными kf₀, где k = 2, 4, 6, ... Спектр таких частот возникает каждый раз при переходе электронного прибора из ключевого режима в активный и обратно. Амплитуда переменного сигнала управления пропорциональна точности определения момента перехода электронного прибора из одного режима в другой, поскольку размах подаваемых колебаний определяет ширину зоны, захватываемой на семействе входных/выходных характеристик прибора. Чем меньше амплитуда, тем уже эта зона и тем точнее определение момента времени, при котором происходит переход электронного прибора из ключевого режима в активный и обратно. Осуществление привязки моментов времени, соответствующих возникновению импульсной составляющей с частотой kf₀, к формируемому профилю нагрузки, обеспечивает получение информации о параметрах нагрузки и сигнала управления, при которых происходит изменение режима работы электронного прибора. Измерение длительности интервала времени между двумя соседними импульсными последовательностями и определение величины нагрузки электронного прибора (по формируемому профилю) позволяет судить о времени нахождения электронного прибора в напряженном режиме и самой напряженности режима работы электронного прибора.

Суть изобретения пояснена на фиг. 1-3, где на фиг. 1 приведена схема реализации способа испытания, на фиг. 2 пояснен принцип формирования импульсных последовательностей при переходе электронного прибора из ключевого режима работы в активный и обратно, на фиг. 3 пояснен принцип формирования двух импульсных последовательностей и интервала времени между ними.

При этом на фиг. 1 обозначены:
1 - источник постоянного тока (сигнала управления),
2 - переключатель,
3 - источник переменного тока частотой f₀,
4 - электрическая нагрузка,
5 - управляемый электронный прибор, выполненный на полевом транзисторе,
6 - датчик тока,
7 - разделительный конденсатор,
8 - амперметр,
9 - фильтр, настроенный на частоту 2 f₀,
10 - источник питания,
11 - выпрямитель,
12 - источник опорного напряжения,
13 - компаратор,
14 - индикатор.

Элементы схемы соединены между собой следующим образом. Источник питания постоянного тока (сигнала управления) 1, через переключатель 2, подключается через переключатель 2 к входу управления электронного прибора 5. При этом переключатель 2 имеет три положения. В верхнем положении источник 1 подключен к входу управления электронного прибора 5 непосредственно, в среднем - через источник 3 переменного тока частотой f₀, а в нижнем цепь управления электронного прибора 5 разомкнута. Силовые электроды электронного прибора 5 через электрическую нагрузку 4, амперметр 8 и датчик 6 тока замкнуты на источник питания 10. Выход датчика тока 6 через фильтр 9 и, далее, через выпрямитель 11 подключен к одному входу компаратора 13. Другой вход компаратора 13 соединен с источником опорного напряжения 12. Выход компаратора 13 нагружен на индикатор 14.

На фиг. 2 обозначены:
15 - форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора и соответствующая ей форма выходного сигнала для случая работы прибора в активном режиме,
16 - форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора и соответствующая ей форма выходного сигнала для случая работы прибора в переходном (переход из активного в ключевой режим или обратно) режиме,
17 - форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора и соответствующая ей форма выходного сигнала для случая работы прибора в ключевом режиме.

На фиг. 3 обозначены:
18 - график изменения тока, протекающего через электронный прибор,
19 - уровень тока, при котором электронный прибор производит ограничение тока, протекающего через его силовую цепь,
20 - импульсные последовательности, формируемые в моменты начала перехода электронного прибора из ключевого режима в активный и обратно.

Работа устройства, реализующего настоящий способ, осуществляется следующим образом. На вход управляемого электронного прибора 5 от источника 1 сигнала управления через переключатель 2 подают напряжение управления. Величина этого напряжения определяется установками, задаваемыми на источнике 1. Переключатель 2, для удобства работы, имеет 3 положения переключения. В верхнем положении (см. фиг. 1) выход источника 1 подключен непосредственно ко входу контролируемого электронного прибора 5. В среднем положении выход источника 1 подключен ко входу контролируемого электронного прибора 5 через источник переменного тока частотой f₀. В нижнем положении выход источника 1 отключен от входа контролируемого электронного прибора 5.

При проведении процесса контроля контакты переключателя 2 устанавливаются в среднее положение, в этом случае выход источника 1 подключен ко входу контролируемого электронного прибора 5 через источник 3 переменного тока частотой f₀. Величина подаваемого напряжения от источника переменного тока частотой f₀ на 2-3 порядка меньше величины напряжения подаваемого от источника 1 сигнала управления, поскольку амплитуда переменного сигнала управления пропорциональна точности определения момента перехода электронного прибора из одного режима в другой. Соответственно одновременно с подачей сигнала управления на вход прибора подается дополнительно переменный сигнал управления частотой f₀. При помощи электрической нагрузки 4 обеспечивают формирование профиля (моделирование) электрической нагрузки электронного прибора, т.е. изменение величины электрической нагрузки в силовой цепи электронного прибора во времени. В настоящее время устройства такого типа широко применяются при проведении испытаний. Примером такого устройства может являться блок управляемой нагрузки DCL488 400-15-750, приведенный в Operating Manual, DCL488 Series 750 Watt Programmable Power Load фирмы Programmable Power Products, в котором график изменения нагрузки во времени формируется компьютером по заранее определенной программе. В этом случае любое требуемое изменение профиля нагрузки легко осуществляется введением соответствующих изменений в программе.

Таким образом, осуществляется формирование во времени профиля нагрузки электронного прибора. Протекающий через нагрузку ток визуально контролируется по амперметру 8.

На датчике тока 6 формируется сигнал, пропорциональный току, протекающему через контролируемый электронный прибор 5. Переменная составляющая этого сигнала, выделяющаяся на датчике тока 6, отделяется конденсатором 7 и подается на вход фильтра 9, настроенного на частоту kf₀. При помощи фильтра 9 отделяют из выходного сигнала датчика импульсную составляющую с частотой kf₀. В данном случае k = 2, но возможно проведение процесса испытаний и при k = 4, 6, 8. Гармоника с k = 2 имеет наибольшую амплитуду. С ростом номера гармоники амплитуда сигнала резко падает, что может затруднить проведение испытания, поэтому наиболее предпочтительно использование второй гармоники или суммы всех гармоник kf₀.

На фиг. 2 пояснен принцип возникновение импульсной последовательности с частотой следования импульсов kf₀. В точке 15, выбранной на выходной характеристике испытуемого электронного прибора для случая работы прибора в активном режиме, форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора, и соответствующая ей форма выходного сигнала совпадают. Частотный спектр входного и выходного сигналов совпадают. Сигнал на выходе фильтра 9, величина которого определяется в основном лишь величиной коэффициента нелинейных искажений вносимых электронным прибором, проходя через выпрямитель 11 и, поступая на один вход компаратора 13, не вызывает срабатывания последнего, поскольку напряжение, подаваемое на другой вход компаратора от источника опорного напряжения 12 имеет величину, превышающую напряжение гармоник с частотой kf₀ образующихся за счет нелинейных искажений, вносимых электронным прибором при работе в активном режиме (режиме усиления входного сигнала).

В точке 16, выбранной на выходной характеристике испытуемого электронного прибора для случая работы прибора в переходном (из активного в ключевой) режиме, форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора, и соответствующая ей форма выходного сигнала не совпадают. Частотный спектр входного и выходного сигналов не совпадают. Подаваемый переменный сигнал претерпевает значительные искажения, в нем появляются гармоники. Сигнал на выходе фильтра 9, проходя через выпрямитель 11 и поступая на один вход компаратора 13, вызывает срабатывания последнего, поскольку напряжение, подаваемое на другой вход компаратора от источника опорного напряжения 12 имеет величину, меньшую напряжений гармоник с частотой kf₀, образующихся за счет нелинейных искажений, вносимых электронным прибором при работе в переходном режиме.

В точке 17, выбранной на выходной характеристике испытуемого электронного прибора для случая работы прибора в ключевом режиме, форма входного сигнала, подаваемого на вход электронного прибора, и соответствующая ей форма выходного сигнала практически совпадают. Величина переменного сигнала незначительна, поскольку электронный прибор работает в ключевом режиме. Напряжение на выходе выпрямителя 11 имеет незначительную величину и, поступая на один вход компаратора 13, не вызывает срабатывания последнего, поскольку напряжение, подаваемое на другой вход компаратора от источника опорного напряжения 12, имеет заведомо большую величину.

Таким образом, при переходе электронного прибора из активного режима в ключевой или обратно, происходит кратковременное попадание рабочей точки электронного прибора в область перегиба характеристики (см. фиг. 2). В этом случае происходит искажение формы дополнительно подаваемого сигнала. В выходном сигнале появляются составляющие с частотой kf₀. Поскольку переход электронного прибора из одного режима работы в другой происходит в течение очень короткого промежутка времени, то на выходе фильтра при таком переходе появляется импульсная составляющая с гармониками kf₀.

На фиг. 3 показан пример изменения тока нагрузки во времени, происходящего при формировании профиля нагрузки. Ток 18, протекающий через электронный прибор, в момент времени t1 достигает величины 19, при которой электронный прибор переходит из ключевого режима работы в режим активный. В этот момент времени на выходе компаратора появляется кратковременный сигнал (график 20 на фиг. 3), показывающий, что в спектре выходного тока электронного прибора появилась импульсная составляющая с гармониками kf₀. Второй импульс на выходе компаратора появляется в момент времени t2 при обратном процессе, когда электронный прибор переходит из активного режима работы в режим ключевой. В моменты времени, соответствующие моментам прихода импульсной составляющей с частотой kf₀ (это моменты времени t1 и t2 на фиг. 2 и 3) определяют параметры профиля нагрузки. Таким образом, по моменту прихода первой импульсной последовательности судят о входе электронного прибора в активный режим работы, при котором происходит ограничение тока и соответственно выделяется и рассеивается наибольшая мощность. По моменту прихода второй импульсной последовательности судят о входе электронного прибора в ключевой режим работы, характеризующийся наименьшими уровнями рассеиваемой на приборе мощности. По длительности времени между этими двумя соседними импульсными последовательностями и величине нагрузки электронного прибора, определяемой по формируемому профилю, судят о длительности и напряженности режима работы электронного прибора.

Испытания данного типа преследуют цель выявить возможность возникновения неблагоприятного режима, при котором электронный прибор входит в активный режим работы, условия, при которых этот режим возникает. Если же в процессе работы электронного прибора возникновение такого опасного режима неизбежно, то испытания должны подтвердить, что электронный прибор может выдерживать такой режим работы в процессе эксплуатации.

Способ позволяет очень точно определить моменты смены режима работы прибора и соответственно время работы прибора в опасном режиме.

Способ испытания отличается относительной простотой его аппаратной реализации и поддается автоматизации. Возможна разработка компьютерной программы, обеспечивающей формирование профиля нагрузки электронного прибора, измерение интервала времени между двумя импульсами, поступающими от компаратора, изменение уровня входного сигнала электронного прибора и т.д. В этом случае способ обеспечивает высокую оперативность проведения испытания, поскольку в компьютер вводятся все необходимые электрические и временные величины, а сам процесс расчета не занимает много времени. Производительность работы испытателей в этом случае возрастает во много раз.

Изобретение относится к области испытаний, неразрушающего контроля и диагностики электронных приборов. Техническим результатом является определение момента перехода электронного прибора из ключевого режима в активный и обратно в процессе работы прибора. Технический результат достигается тем, что подается сигнал управления на вход электронного прибора и переменный сигнал управления с частотой f₀, изменяют величину электрической нагрузки в силовой цепи, выделяют из выходного сигнала электронного прибора импульсную составляющую с частотой к f₀, по моменту прихода которой определяют момент перехода из одного режима в другой. 3 ил.

Способ испытания электронного прибора, основанный на подаче сигнала управления на вход электронного прибора и определении смены его режима работы по выходному сигналу электронного прибора, отличающийся тем, что одновременно с сигналом управления на вход указанного прибора подают переменный сигнал управления с частотой f₀, обеспечивают изменение величины электрической нагрузки в силовой цепи электронного прибора во времени, выделяют из указанного выходного сигнала импульсную составляющую с частотой kf₀, где к = 2, 4, 6 - соответствует номеру выбранной гармоники переменного сигнала управления, по моменту прихода указанной импульсной составляющей определяют момент перехода электронного прибора из одного режима в другой, определяют параметры изменения электрической нагрузки, соответствующие моменту прихода указанной импульсной составляющей, и по длительности между двумя соседними указанными импульсными составляющими определяют длительность режима работы электронного прибора, а по величине указанных параметров судят о напряженности режима работы электронного прибора.