PL215895B1 - Sposób i układ do pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora zawartych w transoptorze - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora zawartych w transoptorze, mające zastosowanie przy kontroli jakości tych elementów w przemyśle elektronicznym.

Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego US nr 5.927.853 „Metoda pomiaru impedancji termicznej obudowanych elementów półprzewodnikowych”, w znanej metodzie badany element półprzewodnikowy umieszczany jest w płynie dielektrycznym o dużej wartości współczynnika przejmowania ciepła i pobudzany ciągiem impulsów prostokątnych mocy o zmiennym czasie trwania. Na końcu każdego impulsu mierzona jest wartość wybranego parametru termoczułego.

Niedogodnością znanej metody jest wyznaczanie wartości rezystancji termicznej tylko między złączem a obudową oraz znaczny stopień komplikacji aparatury pomiarowej niezbędnej przy realizacji tej metody.

Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego US nr 6.092.927 „Detekcja temperatury półprzewodnikowych elementów mocy umieszczonych we wspólnej obudowie z analogowymi układami scalonymi”.

Znana metoda polega na tym, że za pomocą układu zawierającego źródła prądowe i napięciowe, w elemencie mocy wydzielana jest moc o stałej wartości. Wartość temperatury wnętrza tego elementu wyznaczana jest pośrednio, przy wykorzystaniu w charakterze parametru termoczułego wzmocnienia wzmacniacza umieszczonego we wspólnej obudowie lub na wspólnym radiatorze z badanym elementem mocy.

Niedogodnością znanej metody jest niedokładne określenie wartości temperatury wnętrza elementu mocy, wynikające z istnienia skończonej i nieznanej wartości rezystancji termicznej między strukturą tego elementu a wspólną podkładką molibdenową lub radiatorem, którego temperatura wpływa na wartość parametru termoczułego. Znana metoda jest stosowana w układach zabezpieczenia temperaturowego elementu mocy.

Znane są z japońskiego opisu patentowego JP nr 8.285.925 „Metoda i urządzenie do testowania półprzewodnikowych układów scalonych”. Urządzenie to zawiera badany układ scalony i układ odniesienia. Układy te są pobudzane sygnałami cyfrowymi, sygnałami PWM i sygnałami telewizyjnymi. W oparciu o przebiegi czasowe sygnałów zmierzonych oscyloskopem na zaciskach obu układów scalonych, urządzenie informuje, czy badany układ scalony nie jest uszkodzony.

Niedogodnością znanej metody jest brak możliwości pomiaru rezystancji termicznej transoptora.

Znana jest z publikacji naukowej J. Zarębskiego pt.; „Modelowanie, symulacja i pomiary przebiegów elektrotermicznych w elementach półprzewodnikowych i układach elektronicznych”, wydana przez Wydawnictwo Uczelniane WSM w Gdyni w roku 1996, impulsowa metoda pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego, w której badany tranzystor jest pobudzany falą prostokątną mocy o poziomach PH i PL, a w stanie ustalonym przy mocy równej PL jest mierzona wartość napięcia UK na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu baza-emiter. Wykorzystując wyznaczoną w czasie kalibracji przeprowadzonej dla tranzystora pracującego w zakresie aktywnym normalnym przy mocy PL wartość napięcia UK oraz nachylenie charakterystyki termometrycznej F wyznacza się wartość rezystancji termicznej Rth ze wzoru analitycznego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest ograniczenie zakresu stosowalności znanej metody do pomiaru rezystancji termicznej wyłącznie tranzystorów bipolarnych.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 173.831 „Układ do pomiaru przejściowej impedancji termicznej tranzystora bipolarnego”, w którym emiter tranzystora pracującego w układzie wspólnej bazy jest połączony z wyjściem źródła małego prądu oraz z wyjściem źródła prądu grzejnego poprzez przełącznik, który jest sterowany sygnałem prostokątnym gt. Tranzystor jest usytuowany w termostacie, a kolektor jest połączony z wejściem źródła napięciowego.

Niedogodnością znanego układu jest ograniczenie zastosowania go tylko do tranzystorów bipolarnych pracujących w zakresie aktywnym normalnym.

Znane są z polskiego opisu patentowego PL nr 194.602 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonych regulatorów zasilaczy impulsowych”. Znany sposób jest realizowany pośrednio przy wykorzystaniu w charakterze parametru termoczułego napięcia na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n i obejmuje trzy etapy: kalibrację charakterystyki termometrycznej przez pomiar napięcia na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n zawartym w bloku oscylatora przy odłączonym zasilaniu badanego regulatora i w ustalonej temperaturze otoczenia. W drugim etapie

PL 215 895 B1 mierzy się w stanie ustalonym, przy włączonym zasilaniu regulatora, napięcie na tym samym złączu oraz napięcie i prąd zasilania regulatora w tej samej temperaturze otoczenia. W trzecim etapie wylicza się wartość rezystancji termicznej przy użyciu znanego wzoru.

Znany układ składa się z badanego regulatora, zawierającego oscylator ze złączem p-n, którego katoda jest uziemiona, a anoda połączona z woltomierzem i źródłem prądu pomiarowego. Wyprowadzenie zasilania regulatora połączone jest z amperomierzem. Przełącznik łączy lub rozłącza amperomierz ze źródłem zasilania. Źródło prądu pomiarowego polaryzuje w kierunku przewodzenia złącze p-n zawarte W oscylatorze badanego regulatora. Napięcie na tym złączu jest mierzone przez woltomierz.

Niedogodnością znanej metody jest konieczność przełączania układu zasilania badanego regulatora, co utrudnia jego badania w typowym układzie aplikacyjnym.

Istotą wynalazku jest sposób pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora, zawartych w transoptorze, realizowany pośrednio, przy wykorzystaniu w charakterze parametrów termoczułych napięcia na spolaryzowanych w kierunku przewodzenia złączach p-n zawartych w obu elementach składowych. Pomiar jest wykonywany w kilku etapach, spośród których najpierw realizowana jest kalibracja charakterystyk termometrycznych fototranzystora oraz diody LED przy małej wartości ich prądu głównego dla transoptora przy ustalonej temperaturze. Przy zasilaniu prądem stałym fototranzystor pracuje w zakresie aktywnym normalnym, a dioda LED jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Sposób charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie pomiaru, prąd diody LED jest stały i równy prądowi kalibracji, w drugim etapie pomiaru przy napięciu między kolektorem a emiterem fototranzystora równym zeru, mierzy się napięcie przewodzenia diody LED uD0, w etapie trzecim, dla tranzystora pracującego W zakresie aktywnym normalnym w stanie ustalonym mierzy się dwie wartości napięcia kolektor-emiter tego tranzystora uCE1 i uCE2 przy ustalonej wartości prądu kolektora ic oraz odpowiadające im wartości napięcia baza-emiter uD1 i uD2, a także napięcia na diodzie LED uD1 i uD2, W etapie czwartym wyliczane są wartości własnej i wzajemnej rezystancji termicznej między elementami składowymi transoptora za pomocą wzorów analitycznych.

Korzystnym skutkiem zastosowania sposobu według wynalazku jest możliwość wyznaczenia wartości własnej rezystancji termicznej fototranzystora i wzajemnej rezystancji termicznej między fototranzystorem a diodą LED, zawartymi wewnątrz transoptora. Sposób według wynalazku jest prosty i nie wymaga kluczowania.

Istotą wynalazku jest układ do pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora, zawartych w transoptorze charakteryzujący się tym, że anoda diody LED, zawartej w transoptorze umieszczonym w termostacie, jest połączona z pierwszym źródłem prądowym przez pierwszy amperomierz. Pierwszy woltomierz jest włączony równolegle do diody LED. Katoda diody LED i emiter fototranzystora są zwarte ze sobą. Równolegle do złącza baza-emiter fototranzystora jest włączony drugi woltomierz i drugie źródło prądowe. Trzeci woltomierz jest włączony między kolektor a emiter fototranzystora, a źródło napięciowe jest połączone z kolektorem fototranzystora za pośrednictwem drugiego amperomierza. Anoda diody LED, zawartej w transoptorze umieszczonym w termostacie, jest połączona ze źródłem prądowym przez drugi amperomierz.

Korzystnym skutkiem zastosowania układu według wynalazku jest możliwość pomiaru wartości własnej rezystancji termicznej fototranzystora i wzajemnej rezystancji termicznej między fototranzystorem a diodą LED, zawartymi wewnątrz transoptora.

Przedmiot wynalazku wyjaśnia przykład wykonania sposobu pomiaru wartości własnej rezystancji termicznej fototranzystora RthT i wzajemnej rezystancji termicznej między fototranzystorem a diodą LED RthTD, zawartymi wewnątrz transoptora. Sposób ten obejmuje cztery etapy: pomiar charakterystyk termometrycznych fototranzystora i diody LED, to znaczy zależności napięcia baza-emiter fototranzystora oraz napięcia na spolaryzowanej w kierunku przewodzenia diodzie LED od temperatury otoczenia. W czasie pomiaru charakterystyki termometrycznej najpierw należy ustawić żądaną wartość temperatury otoczenia za pomocą termostatu, następnie włączyć źródła zasilające tranzystor i diodę. Stan ustalony występuje w układzie, gdy w ciągu minuty napięcia na złączu baza-emiter tranzystora oraz na diodzie LED nie zmienią się bardziej niż o 1%. Wówczas należy odczytać wartości odpowiednich napięć.

W drugim etapie mierzy się w stanie ustalonym wartość napięcia przewodzenia diody LED uD0 przy wyłączonym zasilaniu fototranzystora. W trzecim etapie pomiaru tranzystor pracuje w zakresie aktywnym normalnym. W etapie tym przez tranzystor płynie prąd kolektora o ustalonej wartości ic.

PL 215 895 B1

W stanie ustalonym mierzone są wartości napięcia baza-emiter fototranzystora (uBE1 i uBE2) oraz napięcia na diodzie LED (uD1 i uD2) odpowiadające dwom wartościom napięcia kolektor-emiter (uCE1 i uCE2). Na podstawie zmierzonych w etapie trzecim wartości napięć wyliczana jest wartość własnej rezystancji termicznej fototranzystora ze wzoru

RthT — (^ucei u_CE2) · i_c gdzie FT oznacza nachylenie charakterystyki termometrycznej fototranzystora danej wzorem ^uBEl ^{— u}CEl ’

F_T ^MBEl ^mBE2 ^uCEl ^{— U}CE2

Ugot k

-2<7 gdzie Ugot oznacza szerokość przerwy energetycznej krzemu równej 1,206 V.

Z kolei wzajemna rezystancja termiczna między fototranzystorem a diodą LED jest wyliczana ze wzoru

RthT —

u.r

F^{_1 r}DT (u_CEi u_CE2) · i_c gdzie FD oznacza nachylenie charakterystyki termometrycznej diody LED dane wzorem

F_d k

— 2· — <7 gdzie ugod oznacza szerokość przerwy energetycznej w diodzie LED (należy przyjąć 1,55 V), Ta - temperaturę otoczenia, k - stałą Boltzmanna, q - ładunek elektronu.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, który przedstawia schemat blokowy układu do pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora, zawartych w transoptorze. Układ składa się z badanego transoptora, termostatu, źródła napięcia zasilania, dwóch źródeł prądowych, trzech woltomierzy, dwóch amperomierzy. Anoda diody LED, zawartej w transoptorze 1 umieszczonym w termostacie 2 jest połączona z pierwszym źródłem prądowym 5 przez pierwszy amperomierz 4, a pierwszy woltomierz 3 jest włączony równolegle do tej diody. Katoda diody oraz emiter fototranzystora są zwarte ze sobą. Równolegle do złącza b aza-emiter fototranzystora jest włączony drugi woltomierz 6 i drugie źródło prądowe 7. Trzeci woltomierz 8 jest włączony między kolektor a emiter fototranzystora, natomiast źródło napięciowe 9 jest połączone z kolektorem fototranzystora za pośrednictwem drugiego amperomierza 10.

Claims (2)

1. Sposób pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora, zawartych w transoptorze, realizowany pośrednio, przy wykorzystaniu w charakterze parametrów termoczułych napięcia na spolaryzowanych w kierunku przewodzenia złączach p-n zawartych w obu elementach składowych, pomiar wykonywany jest w kilku etapach, spośród których najpierw jest realizowana kalibracja charakterystyk termometrycznych fototranzystora oraz diody LED przy małej wartości ich prądu głównego dla transoptora przy ustalonej temperaturze, przy zasilaniu prądem stałym fototranzystor pracuje w zakresie aktywnym normalnym, a dioda LED jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, znamienny tym, że w pierwszym etapie pomiaru, prąd diody LED jest stały i równy prądowi kalibracji, w drugim etapie pomiaru przy napięciu między kolektorem a emiterem fototranzystora równym zeru, mierzy się napięcie przewodzenia diody LED uD0, w etapie trzecim, dla tranzystora pracującego w zakresie aktywnym normalnym w stanie ustalonym mierzy się dwie wartości napięcia kolektor-emiter tego tranzystora uCE1 i uCE2 przy ustalonej wartości prądu kolektora ic oraz odpowiadające im wartości napięcia baza-emiter uBE1 i uBE2, a także napięcia na diodzie LED uD1 i uD2, w etapie czwartym wyliczane są wartości własnej i wzajemnej rezystancji termicznej między elementami składowymi transoptora za pomocą wzorów analitycznych.

PL 215 895 B1

2. Układ do pomiaru własnych i wzajemnych rezystancji termicznych diody LED i fototranzystora, zawartych w transoptorze, zawierający badany transoptor, źródła napięcia zasilania, woltomierze, amperomierze, termostat, znamienny tym, że anoda diody LED, zawartej w transoptorze (1) umieszczonym w termostacie (2), jest połączona z pierwszym źródłem prądowym (5) przez pierwszy amperomierz (4), a pierwszy woltomierz (3) jest włączony równolegle do diody LED, katoda diody LED i emiter fototranzystora są zwarte ze sobą, równolegle do złącza baza-emiter fototranzystora jest włączony drugi woltomierz (6) i drugie źródło prądowe (7), trzeci woltomierz (8) jest włączony między kolektor a emiter fototranzystora, a źródło napięciowe (9) jest połączone z kolektorem fototranzystora za pośrednictwem drugiego amperomierza (10).