基于8031單片機(jī)和轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化浪涌電流測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

引 言

隨著整流二極管在電子工業(yè)特別是家電行業(yè)的廣泛應(yīng)用，用戶(hù)對(duì)整流二極管的技術(shù)參數(shù)要求越來(lái)越嚴(yán)格。在國(guó)內(nèi)，生產(chǎn)廠家對(duì)整流二極管浪涌電流的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)（國(guó)標(biāo)）是在整流二極管的兩端加一個(gè)時(shí)間常數(shù)10 ms、導(dǎo)通角為0°～180°的正弦半波脈沖電流。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司對(duì)浪涌電流的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)是在整流二極管兩端加上正常的正向整流電流的基礎(chǔ)上再加一個(gè)時(shí)間常數(shù)為10 ms或8.3 ms、導(dǎo)通角為O°～180°的正弦半波脈沖電流；日本某電子公司要求生產(chǎn)廠家在整流二極管兩端加連續(xù)兩個(gè)時(shí)間常數(shù)為10 ms或8.3 ms、導(dǎo)通角為0°～180°的正弦半波脈沖電流。同時(shí)，還要把實(shí)際測(cè)量結(jié)果用打印機(jī)打印出來(lái)。顯然，以前采用截取市電交流波形來(lái)產(chǎn)生時(shí)間常數(shù)為10 ms、導(dǎo)通角為0°～180°的正弦半波脈沖的辦法，已經(jīng)行不通了。因此，根據(jù)用戶(hù)的要求，以原有的浪涌電流測(cè)試儀為基礎(chǔ)，用以8031為核心的單片機(jī)及D/A和A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)新一代智能化浪涌電流測(cè)試儀。

1、性能特點(diǎn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/4023-1997提出的浪涌電流的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，參照美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及日本某電子公司的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，研制生產(chǎn)了浪涌電流為10A～2 kA的智能化浪涌電流測(cè)試儀。該儀器對(duì)整流電流為1 A～lOO A的被測(cè)整流二極管和整流電流為1 A～25 A的被測(cè)橋式整流器可進(jìn)行如下工作：

a）按被測(cè)樣品的技術(shù)要求進(jìn)行正向不重復(fù)浪涌電流，IFSM的測(cè)試，并測(cè)該樣品在浪涌電流時(shí)的正向?qū)▔航礦FM。

b）在對(duì)被測(cè)樣品浪涌電流過(guò)后的瞬時(shí)施加額定反向電壓的檢測(cè)。

c）檢測(cè)結(jié)果用微型針式打印機(jī)打印出來(lái)。

該測(cè)試儀的技術(shù)指標(biāo)如下：能產(chǎn)生2 kA電流的儲(chǔ)能源；具有恒流驅(qū)動(dòng)功能；能產(chǎn)生時(shí)間常數(shù)為10 ms、8.3 ms，導(dǎo)通角為0°～180°的正弦半波脈沖；體積小，為320 mm（高）×440 mm（寬）×550mm（深）；數(shù)字顯示，清晰易讀；具有實(shí)時(shí)打印輸出；浪涌電流值為10 A～2 kA，電流間隔為5 A/擋，根據(jù)需要均可在儀器面板上設(shè)定；浪涌電流波形為10 ms、8.3 ms兩擋，0°～180°正弦半波脈沖，根據(jù)需要可在儀器面板上選擇設(shè)置；浪涌電流誤差為≤±2.5％；具有充電電平指示和放電次數(shù)顯示；充電時(shí)間為《15 s；具有故障指示，監(jiān)視恒流源有無(wú)故障；根據(jù)需要可提供波形監(jiān)視插座和可控硅柵極信號(hào)插座。

2、 結(jié)構(gòu)框圖及單元分析

該測(cè)試儀器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

其基本工作原理是：在儀器面板上設(shè)置好所需的浪涌電流值和時(shí)間常數(shù)后，由220V交流電壓經(jīng)變壓整流后對(duì)儲(chǔ)能源進(jìn)行充電，達(dá)到額定電壓值后，由微處理器控制并發(fā)出一個(gè)時(shí)間常數(shù)為10 ms或8.3 ms、導(dǎo)通角為0°～180°正弦半波脈沖加到恒流管驅(qū)動(dòng)電路，使恒流管導(dǎo)通。儲(chǔ)能源釋放電流經(jīng)被測(cè)樣品和恒流管構(gòu)成的回路進(jìn)行放電，檢測(cè)流經(jīng)被測(cè)樣品的電流峰值，即為正向不重復(fù)浪涌電流IFSM。檢測(cè)被測(cè)樣品兩端的電壓值即為正向?qū)ǎɡ擞繒r(shí)）壓降VFM。

儲(chǔ)能源由質(zhì)量穩(wěn)定的大容量電解電容器組構(gòu)成，其容量取決于浪涌電流的最大值。儀器所需電流最大值為2 kA，則儲(chǔ)能源的電流充放容量必須大于2 kA，當(dāng)t=10 ms時(shí)，根據(jù)，I=Q/t，儲(chǔ)能源充電電壓V設(shè)計(jì)為40 V，I=2 kA，則C=Q/V=0．5 F。當(dāng)t=8.3 ms時(shí)，C=0.415 F，因此必須具有大于0.5 F容量的電解電容器組。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)和考慮到電解電容器的誤差及充電時(shí)間要求，最后設(shè)計(jì)儲(chǔ)能源時(shí)增加到1 F容量，并在結(jié)構(gòu)安裝上盡量減少接觸電阻，保證電流順利釋放。

恒流源驅(qū)動(dòng)電路由大功率達(dá)林頓管并聯(lián)構(gòu)成，它的作用是：當(dāng)儲(chǔ)能源電容器充滿(mǎn)電荷后，由恒流源驅(qū)動(dòng)電路對(duì)被測(cè)樣品控制放電，亦即浪涌電流試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，若采用最大輸出電流為2 kA，則必須有200只最大導(dǎo)通電流為10 A以上的大功率達(dá)林頓管并聯(lián)，采用可靠的電流均衡和保護(hù)電路，為留有余量，選擇256只。同樣，在結(jié)構(gòu)安裝上盡量減少接觸電阻。

由8031微處理器為主組成的硬件系統(tǒng)、薄膜鍵盤(pán)、軟件系統(tǒng)、微型打印機(jī)等構(gòu)成本儀器的智能化控制系統(tǒng)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，完成浪涌電流值信號(hào)、時(shí)間常數(shù)信號(hào)的產(chǎn)生和設(shè)置，對(duì)流經(jīng)被測(cè)樣品的浪涌電流和導(dǎo)通壓降的檢測(cè)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及軟件處理后在儀器面板上以LED數(shù)碼管顯示，打印出實(shí)時(shí)的IFSM值和VFM值。

由D/A轉(zhuǎn)換器組成的正弦單脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)時(shí)問(wèn)常數(shù)為10 ms或8.3 ms、導(dǎo)通角為0°～180°的浪涌電流控制信號(hào)，加到恒流源驅(qū)動(dòng)電路的大功率達(dá)林頓管的基極，則恒流源驅(qū)動(dòng)輸出加到被測(cè)樣品的浪涌電流始終保持一個(gè)時(shí)間常數(shù)為10ms或8.3 ms、導(dǎo)通角為0°～180°的正弦半波脈沖。在恒流源輸出的均衡電阻兩端取出浪涌電流值信號(hào)，在被測(cè)樣品的兩端取出正向?qū)ǎ▽?dǎo)通時(shí)）壓降信號(hào)。送到A/D轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和修正，在儀器面板上由數(shù)碼管顯示，若需打印，則按打印按鈕，把被測(cè)樣品的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果（TFSM，VFM）打印出來(lái)。

2 kV可調(diào)反向電壓用于被測(cè)樣品經(jīng)浪涌電流沖擊測(cè)試后加一個(gè)反向電壓再?zèng)_擊一下，檢測(cè)被測(cè)樣品是否既能承受浪涌電流的沖擊，同時(shí)還要經(jīng)受反向電壓的考驗(yàn)。

另外，根據(jù)美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司對(duì)整流二極管浪涌電流的測(cè)試要求研制生產(chǎn)一個(gè)能夠恒流輸出2 A電流的直流電源，僅限于小電流整流二極管在整流狀態(tài)下的浪涌電流測(cè)試，俗稱(chēng)動(dòng)態(tài)測(cè)試。

根據(jù)日本某電子公司對(duì)整流二極管浪涌的測(cè)試要求，在程序設(shè)計(jì)時(shí)附加開(kāi)發(fā)了一個(gè)能同時(shí)發(fā)兩個(gè)連續(xù)浪涌電流脈沖的功能模塊。

檢測(cè)整流二極管兩端的正向（浪涌時(shí)）壓降這一指標(biāo)在浪涌電流測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)上沒(méi)有這個(gè)要求，檢測(cè)這項(xiàng)參數(shù)的目的是在相同的浪涌電流沖擊下，觀察各被測(cè)樣品批次其導(dǎo)通時(shí)的管壓降，用來(lái)檢測(cè)生產(chǎn)工藝的一致性，為工藝質(zhì)量保證提供參考依據(jù)，橋式整流器中4個(gè)管子改為二極管的管壓降檢測(cè)尤其顯得重要。很明顯，如果其中只有某一個(gè)管子在浪涌時(shí)的導(dǎo)通壓降與其它3個(gè)管子有較大的區(qū)別，這個(gè)管子在實(shí)際使用中的損壞概率要遠(yuǎn)大于另外3個(gè)管子，也就是說(shuō)，這樣的整流器比4個(gè)管子的導(dǎo)通壓降誤差小的橋式整流器的損害概率要大得多。如用其他方法測(cè)試橋式整流器導(dǎo)通壓降的一致性是很困難的。因此，用浪涌電流測(cè)試外加檢測(cè)浪涌時(shí)的導(dǎo)通壓降，無(wú)論是生產(chǎn)廠家還是用戶(hù)都是一項(xiàng)先進(jìn)也是很重要的測(cè)試手段。

3、 軟件程序

軟件程序如圖2所示。

4、 結(jié)論與誤差分析

浪涌電流測(cè)試儀在實(shí)際工作中，浪涌電流值的測(cè)試誤差主要表現(xiàn)在低端50 A以下，高端1.8 kA以上，在另外的中間段的測(cè)試誤差都能達(dá)到小于2％，比較理想。對(duì)高低端測(cè)試誤差除了硬件部分以外，主要靠軟件來(lái)補(bǔ)償修正。經(jīng)過(guò)軟件處理以后，在10 A～2 kA的電流范圍內(nèi)，測(cè)試誤差均能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且重復(fù)性很好。采用了面板設(shè)置按鈕，操作很方便，數(shù)據(jù)直觀清晰。同時(shí)做r另外兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)：一項(xiàng)是被測(cè)試樣品在整流電流為1 A的工作狀態(tài)下再施加浪涌電流沖擊，實(shí)際測(cè)試的10個(gè)樣品沒(méi)有一個(gè)損壞，也就是說(shuō)浪涌電流測(cè)試儀對(duì)被測(cè)樣品無(wú)論在靜態(tài)或在動(dòng)態(tài)情況下都能正常工作，整流二極管經(jīng)得住靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的浪涌電流沖擊；另一項(xiàng)是按日本某電子公司標(biāo)準(zhǔn)加連續(xù)兩個(gè)正弦半波脈沖，在實(shí)際測(cè)試的10個(gè)樣品，損壞率大于50％，可見(jiàn)按日本某電子公司標(biāo)準(zhǔn)對(duì)被測(cè)樣品進(jìn)行浪涌電流測(cè)試的話，對(duì)整流二極管生產(chǎn)廠家提出了更加苛刻的質(zhì)量要求，同時(shí)也證明我們自主研制生產(chǎn)的智能化浪涌電流測(cè)試儀是一臺(tái)技術(shù)先進(jìn)、質(zhì)量可靠的新型測(cè)試儀器，符合國(guó)內(nèi)外整流二極管生產(chǎn)廠家和用戶(hù)對(duì)浪涌電流的測(cè)試要求。

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