Устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах Советский патент 1992 года по МПК G01R22/04 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к тепловым измерениям, и может быть использовано при измерении мощности тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, а также для определения зависимости тепловых потерь в вентильных приборах от формы и частоты протекающего тока.

Известно устройство для измерения количества тепла, содержащее калориметрическую камеру с эталонным компонентом, калориметрическую камеру с испытуемым компонентом, дифференциальную термобатарею, усилитель, релейный элемент, источник переменного тока, источник постоянного тока. Испытуемый и эталонный компоненты нагревают до одинаковой температуры поочередно, измеряется время, в течение которого подведенное тепло рассеивается в эталонном и испытуемом компонентах, а затем определяется искомое количество тепла как произведение величины тепла, рассеянного в эталонном компоненте, на отношение измеренных отрезков времени. Достоинством устройства является отсутствие температурной погрешности за счет того, что компоненты нагреваются до одинаковой температуры, а также уменьшение продолжительности измерения по сравнению ,с ранее известными решениями. Недостатками устройства являются ограниченные функциональные возможности в выборе формы тока в испытуемом компоненте и низкая точность измерений вследствие невозможности учета потерь тепла, вызванных протеканием обратного тока через полупроводниковый вентильный элемент.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство, содержащее

&

«S

VI

а

сх

х| 44

термостат, в который помещены испытуемый и эталонный компоненты, источник питания, аттенюатор, блок измерения скважности импульсов и дифференциальный термокомпаратор, состоящий из после- довательно соединенных датчика, усилителя и реле. Данное устройство позволяет быстро (в течение нескольких минут) определить мощность тепловых потерь и тепловое сопротивление радиоэлектронных компонентов путем измерения в установившемся тепловом режиме интервалов времени нагрева компонентов с подстановкой их в соответствующие расчетные формулы.

Недостатком устройства является низкая точность измерений в виду того, что устройство не предусматривает измерение тепловых потерь, обусловленных обратным током прибора.

Целью изобретения является повышение точности измерений за счет учета тепловых потерь, обусловленных обратным током прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, содержащее источник питания, термостат, в котором размещены испытуемый и эталонный приборы, находящиеся в тепловом контакте с датчиком разности температур, выход которого соединен со входом усилителя, первую клемму для подключения испытуемого прибора, соединен- нуюсобщей шиной, измеритель интервалов времени, реле, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя,.а первый и второй выходы соединены соответственно с управляющими входами первого и второго ключей, первый вывод первого ключа соединен с первым выводом эталонного прибора, второй вывод которого соединен с общей шиной, дополнительно введены блок модуляции - демодуляции, генератор сигналрв, первый и второй измерители тока, датчик тока, датчик напряжения, выходы датчиков тока и напряжения подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока модуляции - демодуляции, выход которого подключен к первому входу датчика тока, первый вход датчика напряжения соединен с общей шиной, вторые входы датчиков тока и напряжения объединены и подключены через первый измеритель тока ко второму выводу второго ключа, первый вывод которого соединен со второй клеммой для подключения испытуемого прибора, второй вывод первого ключа через второй измеритель тока подключен к выходу источника питания, входы блока модуляции - демодуляции и измерителя интервалов времени соединены соответственно с выходами генератора сигналов и усилителя. На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - возможный вариант исполнения блока модуляции - демодуляции.

Предлага емое устройство содержит датчик 1 разности температур, эталонный 2

0 и испытуемый 3 приборы, помещенные в термостат 4 и находящиеся в тепловом контакте с датчиком 1, усилитель 5, вход которого соединен с выходом датчика 1, измеритель 6 интервалов времени, вход ко5 торого подключен к первому выходу усилителя 5, реле 7, управляющий вход которого пЬдключен ко второму выходу усилителя 5, источник 8 питания, выход которого подключен ко второму выводу ключа 9 через

0 измеритель 10 тока, а первый вывод ключа 9 соединен с первым выводом эталонного прибора 2, второй вывод которого соединен с общей шиной, генератор 11 сигналов, блок 12 модуляции -демодуляции, вход которого

5 подключен к выходу генератора 11 сигналов, датчик 13 тока, датчик 14 напряжения, выходы которых подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока 12 модуляции - демодуляции,

0 выход которого подключен к первому входу датчика 13 тока, первый вход датчика 14 напряжения соединен с общей шиной, вторые входы датчиков тока 13 и напряжения 14 объединены и подключены через измери5 тель 15 тока ко второму выводу ключа 16, первый вывод которого соединен со второй клеммой испытуемого прибора 3, первая клемма которого соединена с общей шиной, первый и второй выходы реле 7 соединены

0 соответственно с управляющими входами ключа 9 и ключа 16.

Блок 12 модуляции - демодуляции (фиг. 2) содержит усилитель 17 сигнала датчика тока, усилитель 18 сигнала датчика напря5 жения, выходы которых подключены соот- ветственно к первому и второму входам мультиплексора 19 сигналов обратной связи, схему 20 вычитания, первый вход которой подключен к выходу мультиплексора 19

0 сигналов обратной связи, а второй - к выходу генератора 11 сигналов, компаратор 21, вход которого подключен к выходу схемы 20 вычитания, а выход - ко входу инвертора 22 и к первому входу мультиплексора 23 сигна5 лов управления демодуляторами, второй вход которого подключен к выходу инверторе 22, блок 24 определения полярности. вход которого подключен к выходу генератора 11, а выход - к управляющим входам мультиплексора 19 сигналов обратной связи и мультиплексора 23 сигналов управления демодуляторами, два демодулятора по- ложительной 25 и отрицательной 26 полярности, входы которых обьединены и подключены к выходу мультиплексора 23 сигналов управления, а объединенные выходы образуют выход блока модуляции - демодуляции.

Устройство работает следующим образом.

Датчик 1 разности температур представляет собой термоэлектрический преобразователь, сконструированный по типу вспомогательной стенки. В начальный момент времени t0 цепь, содержащая один из приборов, например эталонный, является замкнутой. Источник 8 постоянного тока через замкнутые контакты ключа 9 подключается к эталонному прибору 2. Испытуемый прибор 3 отключен от генератора 11 сигналов и блока 12 модуляции - демодуляции. Температура эталонного прибора начинает повышаться вследствие протекания в нем тока от источника 8. При достижении разностью температур корпусов эталонного 2 и испытуемого 3 приборов определенной величины ДТ (момент ц) датчик 1 вырабатывает термо-ЭДС, которая с помощью усилителя 5 обуславливает срабатывание реле 7. При этом контакты ключа 9 размыкаются, а ключа 16 - замыкаются, тем самым замыкается цепь, генератор 11 сигналов - блок 12 модуляции - демодуляции - испытуемый прибор 3. Таким образом, начиная с момента ti и до момента t2, соответствующего достижению разностью температур обоих приборов той же величины AT, испытуемый прибор 3 нагревается вследствие протекания тока заданной генератором 11 формы и усиленного до определенной величины блоком 12, а эталонный прибор 2 - остывает. В момент времени t2 снова срабатывает усилитель 5, контакты ключа 16 - размыкаются, а ключа 9 - замыкаются. Теперь до момента ta испытуемый прибор 3 остывает, а эталонный 2 нагревается и т.д.

Последовательно соединенные датчик 1, усилитель 5 и реле 7 с двумя ключами 9 и 16 образуют автоматический дифференциальный калориметр, поддерживающий примерно одинаковыми температуры корпусов эталонного и испытуемого приборов, что позволяет устранить температурную погрешность измерений.

Измеритель 6 интервалов времени фиксирует промежутки времени t3 нагревания эталонного прибора и промежутки времени 1и нагревания испытуемого прибора.

Мощность тепловых потерь в испытуемом приборе 3 при заданной форме протекающего тока определяется по формуле:

Рэ

1э

Т.и

0)

где Ри - мощность тепловых потерь в испытуемом приборе,

Рэ - расчетное значение мощности тепловых потерь в эталонном приборе, tw - интервал времени нагревания испытуемого прибора, 1э - интервал времени нагревания

эталонного прибора.

Блок 12 модуляции - демодуляции (фиг. 2), построенный по принципу усилителя с широтно-импульсной модуляцией, служит для усиления по мощности и воспроизведения по форме сигнала блока 11, моделирующего реальный режим работы испытуемого прибора.

Блок 12, включающий в себя два функционально самостоятельных узла-модулятор и усилитель-демодулятор, работает следующим образом.

Модулятор, состоящий из блоков 17- 24, осуществляет преобразование аналогового сигнала, сформированного

генератором 11, в последовательность прямоугольных импульсов, модулированных по длительности в зависимости от мгновенного значения сигнала блока 11 в отсчетной точке и скорости его изменения

в окрестностях этой точки. Эти импульсы. управляющие демодуляторами 25 и 26, формируются ключевым элементом (компаратором 21), который в свою очередь, управляется сигналом рассогласования с

выхода схемы 20 вычитания, величина которого пропорциональна разности между выходным сигналом обратной связи (сигнал с выхода датчика 13 тока, усиленный в блоке 18 или сигнал с выхода датчика 14

напряжения, усиленный в блоке 17) и задающим сигналом с выхода генератора 11. Выбор отслеживания сигнала по току или по напряжению в зависимости от полярности сигнала с выхода блока 11 осущесгвляет мультиплексор 19, управляемый блоком определения полярности 24.

Демодулятор, состоящий из блоков 25 и 26, осуществляет усиление по мощности сформированной модулятором последовательности импульсов и преобразование последней в аналоговый сигнал, по форме повторяющий сигнал с выхода генератора 11. Непрерывное и плавное изменение модулируемого сигнала (тока или напряже

ния) обеспечивает сглаживающий фильтр,Для количественной оценки повышения

содержащий энергоемкие элементы (L и С).точности измерений в заявляемом устройстВвиду необходимости моделировать наве по сравнению с прототипом, в котором зажимах испытуемого вентильного прибораизмеряются потери только от прямого то- реальное обратное напряжение обработка5 ка, необходимо определить процентное положительной и отрицательной полуволнысоотношение потерь от прямого и обрат- переменного сигнала с выхода генератораного токов в величине суммарной мощно- 11 осуществляется раздельно, Для этого вы-сти потерь ходной каскад блока 12 выполнен по двухтактной схеме в виде двух демодуляторов,10 Р Рт + PR. каждый из которых независимо друг от друга усиливает и демодулирует сигналы соот-Для этого возьмем реальный силовой ветствующей полярности - положительнойвентильный прибор-тиристор запираемый (блок 25) и отрицательной (блок 26). В тече-таблеточного типа ТЗ 123-200. ние положительной полуволны работает ка-15 Средняя мощность потерь в открытом нал обратной связи по токусостоянии при угле проводимости / 120° 17-19-20-21-22-23-25, в результате чегоэл. для токов прямоугольной формы f 50 Гц через испытуемый прибор протекает пря-и постоянного тока мой ток заданной генератором 11 формы и

усиленный до определенного уровня выход-20 Рт 150 Вт (при т 60 А), ным каскадом 25 с источником питания положительной полярности. В течениеСредняя мощность потерь, обуслов- отрицательной полуволны работает каналленная током в обратном непроводящем обратной связи по напряжению 18-19-20-состоянии при среднем обратном напря- 21-22-23-25, в результате чего на выводах25 жении UR 500 В и среднем обратном токе испытуемого прибора моделируется обрат-|R 15 mA. ное напряжение заданной генератором 11 формы и усиленное до определенного уров-PR 7,5 Вт. ня выходным каскадом 26 с источником питания отрицательной полярности, что30 Суммарная мощность потерь обусловливает протекание через прибор обратного тока.РЈ - 150 + 7,5 157,5 Вт.

Последовательное во времени функционирование демодуляторов 25 и 26 обеспечи-Определим относительную погреш- вает мультиплексор 23.35 ность измерений суммарной мощности поТаким образом, устройство позволяеттерь с помощью устройства-прототипа,

моделировать реальные прямой ток и обрат-Так как устройство-прототип не учитыное напряжение в испытуемом приборе, ввает составляющую обратных потерь, абрезультате чего измеряются полные потерисолютную погрешность можно вычислить

с учётом составляющей потерь от обратного40 как тока.

При проведении сравнительного знали-. д dr , р

за различных режимов работы вентильныхЈ ПР°Т - т R т 100 полупроводниковых приборов по критерию

мощности тепловых потерь действующие45 ico j JL 4-7c; - 17 R R значения токов в эталонном и испытуемом 100 приборах устанавливаются равными, и сопоставление производится по измереннойОтсюда относительная погрешность величине ьЛи.

Использование изобретения позволяет50 д Д Е прот

точнее производить измерение мощности t «рот - р ЮО -

тепловых потерь в вентильных полупровод-

никовых приборах, моделировать в широ- 17,25

ком диапазоне реальные режимы работыТбТ Г 11

приборов с возможностью задания произ-55

вольных по форме и достаточных по уровнюЗа счет того, что измерительные части в

мощности сигналов в испытуемом приборе,прототипе и предлагаемом устройстве попроизводить сравнительный анализ этихдобны,относительная погрешность измере- режимов по величине мощности тепловых потерь.

ний суммарной мощности потерь предлагаемым устройством

6% : 5тпрот 6,5 %.

Следовательно, вследствие учета составляющей обратных потерь предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерений суммарных потерь за счет уменьшения погрешности на величину (11-6,5)% 4,5%.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения тепловых потерь в вентильных полупроводниковых приборах, содержащее источник питания, термостат, в котором размещены испытуемый и эталонный приборы, находящиеся в тепловом контакте с датчиком разности температур, выход которого соединен с входом усилителя, первую клемму для подключения испытуемого прибора, соединенную с общей шиной, измеритель интервалов времени, реле, управляющий вход которого соединен с выходом усилителя, а первый и второй выходы соединены с управляющими входами соответственно первого и второго ключей, первый вывод первого ключа соединен с первым выводом эталонного прибора, второй вывод которого соединен с общей шиной, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет учета тепловых потерь, обусловленных обратным током прибора, в устройство введены блок модуляции-демодуляции, генератор сигналов, первый и второй измерители тока, датчик тока, датчик напряжения, выходы датчиков тока и напряжения подключены соответственно к первому и второму управляющим входам блока модуляции-демодуляции, выход которого подключен к первому

входу датчика тока, первый вход датчика напряжения соединен с общей шиной, обь- единенные вторые входы датчиков тока и напряжения подключены через первый измеритель тока к второму выводу второго ключа, первый вывод которого соединен с второй клеммой для подключения испытуемого прибора, второй вывод первого ключа через второй измеритель тока подключен к

выходу источника питания, входы блока модуляции-демодуляции и измерителя интервалов времени соединены с выходами соответственно генератора сигналов и усилителя .

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что блок модуляции-демодуляции содержит первый и второй усилители, схему определения полярности, первый и второй мультиплексоры, схему вычитания , компаратор, инвертор, первый и второй демодуляторы, объединенные выходы которых образуют выход блока модуляции-демодуляции, объединенные входы демодуляторов соединены с выходом второго мультиплексора, управляющие входы первого и второго мультиплексоров соединены с выходом схемы определения полярности, вход которой объединен с первым входом схемы вычитания и является входом блока модуляции-демодуляции, входы первого и второго усилителей являются соответственно первым и вторым управляющими входами блока модуляции- демодуляции, выходы первого и второго усилителей соединены соответственно с

первым и вторым входами первого мультиплексора, выход которого соединен с вторым входом схемы вычитания, вход и выход компаратора соединены соответственно с выходом схемы вычитания и вторым входом

второго мультиплексора, первый вход которого через инвертор соединен с выходом компаратора.

0/п // .

Изобретение относится к тепловым измерениям и может быть использовано при измерениях мощности тепловых потерь, а также для определения зависимости тепловых потерь в приборах от параметров протекающего тока. Устройство содержит датчик 1 разности температур, эталонный и испытуемый приборы 2, 3, помещенные в термостат 4, усилитель 5, измеритель 6 интервалов времени, реле 7, источник 8 питания, ключи 9,16. Введение измерителей 10, 15 тока, генератора 11 сигналов, блока 12 модуляции-демодуляции, датчиков 13.14 тока и напряжения обеспечивает измерение полной мощности тепловых потерь (с учетом потерь, обусловленных протеканием обратного тока) при различных параметрах протекающего через прибор 3 тока, что повышает точность измерений. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

(pi/г.г