DD220423A1

DD220423A1 - Schaltung zur niederspannungsmessung an durch hochspannung belasteten objekten

Info

Publication number: DD220423A1
Application number: DD25828283A
Authority: DD
Inventors: Hans-Georg Beyer
Original assignee: Beyer Hans Georg
Priority date: 1983-12-21
Filing date: 1983-12-21
Publication date: 1985-03-27

Abstract

SCHALTUNG ZUR NIEDERSPANNUNGSMESSUNG AN DURCH HOCHSPANNUNG BELASTETEN OBJEKTEN BEI EXTREM KURZZEITIGER UNTERBRECHUNG DER BELASTUNG WIE SIE Z. B. BEI DER SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG VON HALBLEITER-LEISTUNGSBAUELEMENTEN AUFTRITT. DAS ZIEL BESTEHT IN EINER WEITGEHEND UNVERFAELSCHTEN SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG. DAS WESEN DER ERFINDUNG BESTEHT DARIN, DASS EINE KURZZEITIG ZUSCHALTBARE ELEKTRONISCHE SCHALTUNG EINE MITTELBARE MESSUNG DES SPANNABFALLS AM MESSOBJEKT BEI KONSTANTSTROMEINSPEISUNG ERMOEGLICHT. DIE ANWENDUNG ERFOLGT VORZUGSWEISE BEI DER SPERRSCHICHTTEMPERATURMESSUNG VON LEISTUNGS-HALBLEITERBAUELEMENTEN. DIE PRINZIPSCHALTUNG IST IN FIG. 1 DARGESTELLT. DIE ERFINDUNG WIRD AN 3 FIGUREN ERLAEUTERT.

Description

Stahnsdorf, den 7- 12. 1983 Titel

Schaltung zur Niederspannungsmessung an durch. Hochspannung belasteten Objekten ' , . '

Anwendungsgebiet der Erfindung

Schaltung zur Niederspannungsmessung an durch Hochspannung belasteten Objekten für Messungen, bei denen der zu messende Spannungsabfall bei gleichzeitiger Belastung bzw. während einer kurzzeitigen Unterbrechung der Belastung bestimmt wird, Derartige Schaltungen sind z· B. für die Sperrschichttemperaturmessung von Halbleiterbauelementen erforderlich·

Darlegung des Standes der Technik

.Temperaturmessungen z· B. an Sperrschichten von Halbleiterbauelementen sind in der Regel nur indirekt über eine Eichkurve durch Messung des Spannungsabfalls über dem Bauelement möglich· Die Messung des Spannungsabfalls erfolgt durch Einprägung eines konstanten Meßstromes und ist deshalb unter Belastung nicht möglich· Eine entsprechende Aufgabe wird für die Messung an Thyristoren im DD-WP 92 088 beschrieben. Die Messung erfolgt im gelöschten Zustand bei einem konstant anliegenden Meßstrom. . · ^Λ

Bei einem allgemeingültigen Meßverfahren erfolgt der SchaItyorgang mit folgenden Schritten: ^

Trennen des Lastkreises, Zuschalten des Konstantstromes, Zuschalten des Spannungsmeßkreises· Nach der Messung erfolgen die Schaltvorgänge in umgekehrter Folge« Der Nachteil dieses ,Meßverfahrens besteht darin, daß die für den Schalt- und Steuervorgang benötigte Zeit so groß ist, daß der Meßwert unzulässig ^vstark verfälscht wird. ·· -.'.

Ziel derr Erfindung - : .

Das Ziel der Erfindung ist eine weitgehend unverfälschte Temperaturmessung im Inneren des Meßobjektes und die dadurch ' mögliche Früherkennung von Ausfallursachen. ;

Darlegung des Wesens der Erfindung

' . · ' ι

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltung zu realisieren, die es zuläßt, innerhalb der Abschaltphase des Lastkfeises in einem Zeitintervall von < 100 ,us den Spannungsabfall über dem Meßobjekt zu bestimmen. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß entsprechend Fig. 1 parallel zum Lastkreis eine trennbar über dem Meßobjekt MO angeordnete Meßschaltung Verwendung findet. Diese Meßschaltung besteht aus einer Reihenschaltung eines Widerstandes R. (I,_T), der

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Kollektor-Emitter-Strecke eines 'spannungsfesten npn-Transistors T und .einer Konstantstromquelle KSQ. Die Basis des Transistors T ist über einen nichtlinearen Widerstand R^ -und einen elektronischen Schalter S^ mit dem positiven Pol der Konstantstromquelle KSQ verbunden. Bei der Messung ist der Schalter Sj- zu schließen, und der um einen konstanten Wert erhöhte Spannungsabfall· des Meßobjektes MO kann an der Konstantstromquelle KSQ abgegriffen und der Spannungsabfall über dem,Meßöbjekt MO mittelbar bestimmt werden.

Die Erfindung wird anhand der Fig. 1 bis 3 dargestellt.

Fig. 1 zeigt.die Prinzipschaltung,

Fig. 2 zeigt ein günstiges Ausführungsbeispiel, Pig. 3 zeigt, wie die Spannungsfestigkeit der im Ausf üb.-rungsbeispiel vorgestellten Meßschaltung erhöht werden kann.

Zunächst sollen die Grundgedanken der Erfindung an Fig. 1 erläutert werden.

Die Meßschaltung gestattet die Bestimmung des Spannungsabfalls über dem Meßobjekt MO mittelbar, durch Messung der Spannung über der Konstantstromquelle KSQ.

Das. Meßobjekt MO ist mit seinem einen Anschluß über einen im allgemeinen vom Meßstrom I», abhängigen Widerstand R^ (1^) und der Kollektor-Emitter-Strecke des npn-Transistors T mit dem negativen Pol der Konstantstromquelle KSQ verbunden. Der andere Anschluß des Meßobjektes MO ist direkt mit dem Pluspol der Konstantstromquelle KSQ verbunden. Das Meßobjekt MO liegt außerdem noch im Lastkreis einer Belastungsschaltung, die während des Meßvorgangs abgeschaltet ist, weshalb darauf nicht näher eingegangen werden muß. Wird nicht gemessen, so liegt aufgrund der Belastungsschaltung eine entsprechende Belastungshochspannung am Meßobjekt MO,bzw. es fließt ein Belastungsstrom durch das Meßobjekt MO. Die Basis des Transistors T ist über einen nichtlinearen Widerstand R₁₀-, und den elektroni-

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sehen Schalter £L, mit dem positiven Pol der Konstantstromquelle KSQ verbunden.' Der nichtlineare Widerstand R^, ka* eine Konstantstromcharakteristik.

Der Spannungsabfall über dem Meßobjekt MO, der im allgemeinen vom Meßstrom L, abhängt, wird mit U„ bezeichnet. Der Spannungsabfall über der Konstantstromquelle KSQ ist U'^. Der Spannungs-

abfall über dem Widerstand R. (Im) ist eine Punktion Ua(I₁.,) und der der Kollektor-Emitter-Strecke des npn-Transistors T isteine Funktion tr_c;g (I_M, I₅), wobei der ,Strom I^ in die Basis des npn-Transistors T fließt. ·. "

'Wird nicht gemessen, so ist der Schalter S^ offen, es fließt kein Basisstrom L_n und der Kollektorstrom I,, des Transistors T

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ist Null. Soll gemessen werden, so ist der Schalter S_n su schließen. Es fließt der Basisstrom I^· Ist selbiger von ausreichender Größe, wird der Transistor T vollständig durchgesteuert und nach dem Kirchhoff'sehen Knotensatz ergibt sich der Meßstrom I_M, der in den Kollektor des Transistors T fließt, zu Ijß, = I^ -Ig» wobei I^ der durch die Konstantstromquelle KSQ gelieferte Konstantstrom ist. Da aufgrund des nichtlinearen Widerstandes R|tt > der eine Konstantströmcharakteristik besitzt, der Basisstrom I-n ebenfalls ein Konstantström ist, ist L, auch konstant· Somit liegt eine Konstantstromeinspeisung in das Meßobjekt MO vor.

' lüx die Spannungen im.Meßkreis gilt der Kirchhoff'sehe Maschensatz, wonach sich der Spannungsabfall U„ über dem Meßobjekt MO zu Ujyj = U*_M - U_c-g (Ij₅, Ig)·- U^ (IjP ergibt. Da schon oben festgestellt wurde, daß sowohl der Meßstrom I„ als auch der Basisstrom Ig konstant sind, sind auch die Spannungsabfälle ^CE ^M* ^B^ ^un(^ ^A ^M^ ^oostant. Der Spannungsabfall TI, über dem Meßobjekt MO ergibt sich also mittelbar durch Subtraktion eines konstanten, vor der Messung einmalig zu bestimmenden Wertes des Spannungsabfalls über der>Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T und des Widerstandes E^ (1^) vom gemessenen Spannungsabfall U^f _M der Konstantstromquelle KSQ. Die damit verbundene Subtraktion läßt sich durch eine geeignete .Kompensationsspannungsquelle, die den Wert des konstanten Spannungsabfalls-U_CE (I»p I-n) + U. (I_M) kompensiert, durchführen, so daß der Spannungsabfall IL, direkt zur Verfügung steht.

Dieses Kompensa'tionsprinzip ist hinreichend bekannt, deshalb wird die Kompensationsschaltung nicht angegeben.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert, werden.

Fig. 2 zeigt eine günstige Realisierungsvariante. Die Schaltung besteht aus der Konstantstromquelle KSQ, der eigentlichen Meßschaltung M (eingekästelt gezeichnet), einer Diode D-, dem Optokoppler OK- und dem Meßobjekt MO. Als Bezugspunkt für die Spannungsabfälle dient die Masse G. Der Lastkreis wurde zwecks Eindeutigkeit der Darstellung in Pig. 2 mit angedeutet, er berührt ansonsten das Ausführungsbeispiel nicht. Für den Widerstand H. (Ivr) (vgl. Pig. 1) wurde eine spannungsfeste Diode D- eingesetzt. Sie ist mit dem Meßobjekt MO und dem Anschluß E₂ der Meßschaltung M verbunden. D,, hat die Aufgabe, bei der Belastung des Meßobjektes MO Belastungsspannungen negativer Polarität über dem. Meßobjekt MO (in bezug auf die Masse M) von der Meßschaltung M fernzuhalten.

Auf die Konstantstromquelle KSQ wird nicht näher eingegangen, da hierfür Schaltungen bekannt sind. Die Konstantstromquelle KSQ ist genau wie in Pig. 1 beim Ausführungsbeispiel mit ihrem Pluspol direkt mit dem Meßobjekt MO verbunden. Der Minuspol ist über den Anschluß E^ der Meßschaltung M mit dem Kollektor von Transistor T- verbunden. Anstelle eines npn-Transistors T nach Pig. 1, kommt im Ausführungsbeispiel Pig. 2 eine Darlingtonkombination von zwei spannungsfesten npn-Transistoren T- und T_? zur Anwendung. Durch die Darlingtonschaltung wird der für ein sicheres Schalten von T- und T₂ notwendige Basisstrom Ig hinreichend klein gehalten, so daß an die Konstantstromcharakteristik des nichtlinearen Widerstandes im Basiszweig keine hohen Anforderungen '. bezüglich der Konstantz des Basisstromes I-n gestellt werden müssen. Unter Umständen reicht sogar ein linearer Basiswiderstand aus.^s In der Meßschaltung M gemäß Pig. 2 wurde, um eine hohe Meßgenauigkeit zu erzielen, ein nichtlinearer Basiswider-

stand vorgesehen^ Er besteht aus dem eigentlichen Konstant- stromzweipol, gebildet aus der Reihenschaltung des Widerstandes Jt,, mit der Drain-Source-Strecke eines n-Kanal-Yerarmungs-MQSFET T~ sowie der Diode D₂. Der Konstantstromzweipol T_-R* stellt eine aus der Literatur bekannte Schaltung dar, weshalb sich nähere Erläuterungen erübrigen. Bei der Diode Dp handelt es sich um eine spannungsfeste Diode, die die Aufgabe hat, die Kollektor-Basis-Strecken der Transistoren T. und Tp vor hohen, gegenüber der Masse "M positiven Spannungen während der Belastung des Meßobjektes MO zu schützen. Für den Schalter S_T. (vgl. Pig. 1), der über den Anschluß E- der Meßschaltung M mit dem Drain 'des'MOSFET T^ verbunden ist, wird im Ausführungsbeispiel ein Optokoppler OiLj eingesetzt.- Die Katode des Lichtempfängers des Optokopplers OK,, ist mit dem Pluspol- der Konstantstromquelle KSQ verbunden. Anstelle des Optokopplers OK.« kann auch ein Transistor, MOSFET oder dgl. zur Anwendung kommen. Dem Optokoppler wurde der Vorzug gegeben, da'er eine massefreie (potentialfreie) .Trennung von Meßbefehlskreis und •Meßkreis ermöglicht. Die Optokoppler OK₂ und OK-, dienen der Erhöhung der. Spannungsfestigkeit der.Kollektor-Emitter-Strecken von T^. und Tp während der Belastung des Meßobjektes MO mit positiven Spannungen. Während der Belastungsphase werden die Optokoppler 0K₀, OK., angesteuert. In den Fotodioden entstehen Urspannungen derartiger Polarität, daß die Basen auf hinreichend festen negativen Potentialen gegenüber den Emittern liegen und die Emitter-Basis-Strecken der Transistoren T^, T₂ sicher gesperrt sind. Auf diese Weise kann die Spannungsfestigkeit der Transistoren voll ausgenutzt werden.

Der Meßprozeß läuft folgendermaßen ab. Nach Unterbrechung der Belastung des Lastkreises werden die Ansteuerungen der Opto-' koppler OK₂ und OK, unterbrochen, die Transistoren T^ und T₂ sind schaltfähig.'Der Optokoppler OK^ wird angesteuert,, wodurch der konstante Basisstrom Ι_Ώ in den Transistor T,, fließt

und die Kollektor-Emitter-Strecken der Transistoren T^ und Tp durchsehalten. Der konstante Meßstrom I₁₁- beginnt durch das Meßobjekt MO zu. fließen.· Sr erzeugt im Meßobjekt MO einen Spannungsabfall U„. An der Konstantstromquelle KSQ stellt sich der Spannungswert U^f„ ein, der gemessen wird. Um daraus den Spannungsabfall IL. über dem Meßobjekt MO zu erhalten, muß man von US/ den Spannungsabfall über der Diode D^. und der Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors T,, abziehen, formelmäßig: U^ = U„ - U%-g. Dies läßt sich schaltungstechnisch durch eine Spannungskonipensationsschaltung oder rechnerisch realisieren. Bei der rechnerischen Bestimmung der Spannung U,, über dem Meßobjekt MO bestimmt man die abzuziehende Spannung U¹,.™ .einfach durch Kurzschließen des Meßobjektes MO (natürlich bei.fehlender Belastung!) und Messung des Spannungsabfalls U'_M = U

Der Spannungswert- U'-^· ist aufgrund der konstanten Ströme •für die meisten Anwendungsfälle hinreichend konstant. Für besonders genaue Messungen muß die Konstanz von U',™- zusätzlich durch Temperaturstabilisierung der Transistoren T^ und T₂ und der Diode D^ verbessert werden. Dazu empfiehlt sich . die Verwendung von Transistoren und Dioden mit Metallgehäuse und die Montage auf einen Metallblock, um eine möglichst große Wärmekapazität des Systems zu erreichen. Durch diese Maßnahmen wird die Kurzzeitkonstanz der' Spannung U'jyrg- wesentlich verbessert. Um eine gute Langzeitkonstanz zu erreichen, sollte der Metallblock in einem Thermostat angeordnet werden.

Ist die.Spannungsfestigkeit der Meßschaltung M gemäß Pig. 2 gegenüber positiven Belastungsspannungen nicht ausreichend _r so läßt sich eine Reihenschaltung von mehreren gleichartigen Meßschaltungen anwenden. Die Zusammenschaltung der Meßschaltungen ist in Fig. 3 dargestellt. Die Schaltung von Fig. 2 ist dahingehend erweitert, daß zwischen dem Anschluß E^ der Meßschaltung M und der Diode D. zwei weitere Meßschaltungen M

angeordnet sind, wobei sämtliche Anschlüsse S^ an einen gemeinsamen Optokoppler OK,, geführt werden. Auf diese 7»else lassen sich entsprechend hochspannungsfeste Meßschältungen aufbauen". Dabei ist natürlich für ausreichende Spannungsfestigkeit der Dioden Dp zu sorgen. .

Claims

9 Erfindungsanspruch

Schaltung zur Niederspannungsmessung an durch Hochspannung belasteten Objekten zur Messung des Spannungsabfalls: bei kurzzeitiger Unterbrechung der Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß die parallel zum Lastkreis trennbar über dem Meßobjekt (MO) angeordnete Meßschaltung aus der Reihenschaltung eines Widerstandes (R,), der.Kollektor-Emitter-Strecke eines spannungsfesten npn-Transistors (T) und einer Konstantstromquelle (KSQ) besteht, die Basis des Transistors (T) über einen nichtlinearen Widerstand (R₁.-.) und einen elektronischen Schalter (S„) mit dem positiven Anschluß der Konstantstromquelle (KSQ) verbunden ist, wobei-, falls der Schalter (S₁,.,) zum Messen geschlossen ist, über

ISU

der Konstantstromquelle (KSQ) eine gegenüber dem Spannungsabfall am Meßobjekt (MO) um einen festen Wert erhöhte Spannung abgegriffen und mittelbar gemessen wird· .

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