Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Dioden sowie ein Diodenprüfgerät zur Ausführung des Verfahrens.
Da Dioden in der Industrie vornehmlich in Automobilbau, in Flugzeugen und dergleichen weltweite Verbreitung gefunden haben, sind bereits viele Verfahren zu deren Prüfung bekannt. Die meisten bekannten Prüfmethoden beruhen auf Widerstandsmessungen oder Belastungsprüfungen über das dynamische Verhalten der Diode. Was den Motorfahrzeugbau betrifft, so wird zum Stande der Technik auf die sehr ausführliche Broschüre Generatoren und Regler in Motorfahrzeu gen# von Willy Heeb, Fachschriftenverlag Aargauer Tagblatt AG, Aarau verwiesen. Diese bekannten Verfahren werden insbesondere von Spezialisten und Ingenieuren durchgeführt.
Sie sind meistens sehr zeitraubend und eignen sich für den Praktiker im allgemeinen nicht.
Es ist weiter bekannt, dass Dioden oft, statisch ausgemessen ein einwandfreies Verhalten aufzeigen, obwohl sie in der Betriebssituation zu Fehlern Anlass geben. Der Grund dazu ist darin zu suchen, dass sich bereits geringfügige Abweichungen, die im stationären keine, aber auch im üblichen dynamischen Verfahren nur dem Fachmann auffallende Veränderungen der Charakteristik verursachen, im Betrieb oft entscheidend auswirken können. So können beispielsweise kleinere Abweichungen von den Halbleiterherstellungstoleranzen je nach Betriebsverhältnissen, belanglos oder funktionsentscheidend sein.
Solche Abweichungen, die sich vor allem im transienten Verhalten manifestieren, können bisher nur mit Oszillographen erkannt werden, d.h. in Laborsituation, sofern die Sollverläufe eindeutig feststehen und zu Vergleichen herbeigezogen werden können.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung eines Schnellverfahrens zum Prüfen von Dioden, welches mittels des erfindungsgemässen Diodenprüfgerätes sogar vom Laien mühelos durchgeführt werden kann. Jeder Praktiker kommt damit in die Lage, auch ohne dass er irgendwelche Fachkenntnisse besitzt, sofort über die Güte von Dioden Auskunft zu erhalten.
In diesem Sinne zeichnet sich das erfindungsgemässe Verfahren dadurch aus, dass man einer zu prüfenden Diode ein Wechselsignal zuführt, einen Pegelbereich des diodenverzerrten Wechselsignals selektioniert, wobei man als Pegelbereich einen das Schaltverhalten der Diode charakterisierenden Wechselsignalbereich selektioniert, und dass man den selektionierten Signal-Pegelbereich zur Fehlerdetektierung auswertet.
Die Erfindung wird anschliessend beispielsweise anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines Diodenprüfgerätes mit teilweise zu Funktionsblöcken zusammengefassten Funktionseinheiten,
Fig. 2a den Stromverlauf in einer Transformatorprimärwicklung bei Ansteuerung mit Rechteckspannungsimpulsen in einem Diodenprüfgerät gemäss Fig. 1,
Fig. 2b den Flussverlauf in einem Transformator mit gemäss Fig. 2a angelegtem Primärstrom,
Fig. 2c den Verlauf der induzierten Spannung entsprechend einem Flussverlauf gemäss Fig. 2b,
Fig. 2d den Spannungsverlauf an einem Diodenseriewiderstand bei Fig. 2c entsprechender Quellenspannung,
Fig. 3a die Überlagerung eines dc Spannungspegels und eines Spannungssignals gemäss Fig. 2d,
Fig. 3b den Verlauf eines Differenzsignals gebildet aus einer dc Spannung und einem Spannungsverlauf gemäss Fig. 3a,
Fig.
3c den Verlauf der Verstärkungsausgangsspannung bei einem gemäss Fig. 3b gewählten dc Spannungspegel der den Verstärker gerade übersteuert.
Das Diodenprüfgerät umfasst grundsätzlich drei Funktionsblöcke, nämlich einen Oszillator 1, einen Messblock 2 und einen Anzeigeteil 3. Beim Oszillator 1 handelt es sich beispielsweise um einen astabilen Multivibrator. Vorzugsweise ist die Schwingfrequenz des Oszillators einstellbar. Der Messblock 2 umfasst zwei Anschlussklemmen 5. Dazwischen wird die zu prüfende Diode 9 geschaltet. Die eine der Klemmen 5 ist geerdet wogegen die zweite über eine Sekundärwicklung 11 eines Trenntransformators 7 führt. In Serie zur Diode 9 und zur Transformatorsekundärwicklung 11 ist ein Potentiometer 13 geschaltet.
Das Oszillatorausgangssignal wird über den Trenntransformator 7 in den Messblock 2 eingekoppelt. In Fig. 2 ist aufgezeigt, welche Spannungsform sich durch die transformatorische Einkopplung von Rechteckimpulsen des Oszillators 1 ergeben kann. Fig. 2a zeigt den Stromverlauf in der Primärwicklung besagten Transformators. Durch die Nichtlinearitäten eines Eisenkernes 15 des Trenntransformators 7, entsprechend einer Aussteuerung ins Sättigungsgebiet, ist in Figur 2b der Verlauf des Induktionsflusses in Abhängigkeit der Zeit dargestellt. Fig. 2c zeigt schliesslich den daraus resultierenden Spannungsverlauf am Potentiometer 13 auf.
In Phase A (Fig. 2d) leitet die Diode. Dadurch kommt über dem Potentiometer 13 eine negative Spannung zustande, denn die leitende Diode weist lediglich einen Spannungsabfall entsprechend der Flussspannung auf, und ist, entsprechend Fig. 1 mit ihrer Kathode geerdet. Die anschliessende Phase B, in der ein kleiner, abnehmender positiver Strom durch das Potentiometer 13 fliesst, kann dadurch erklärt werden, dass, entsprechend dem üblichen Diodenersatzbild im Niederstromvorwärtsgebiet, der Diffusionskapazität parallel zum differenziellen Widerstand, ein Entladeprozess besagter Kapazität, auch über den äusseren Kreis mit dem Potentiometer 13 stattfindet.
Wird die Diode im Hochstromgebiet betrieben, so würde es sich entsprechend dem dort üblichen Ersatzbild um einen Einschwingvorgang handeln.
In der anschliessenden Phase C sperrt die Diode, und der auftretende Spannungsimpuls ist durch die Sperrträgheit der Diode erklärbar.
Bei den Phasen B und C handelt es sich um transiente Vorgänge, die vorwiegend durch das Verhalten der Minoritätsträgerdiffusionsströme bestimmt sind. In diesen Phasen zeigen sich schon geringfügige Diodenfehler, die sich im Betrieb schon auswirken können.
Die Spannung über dem Potentiometer 13 wird einem als Umkehrverstärker geschalteten Differenzialverstärker zugeführt, der mit einem Operationsverstärker 17 realisiert ist. Der invertierende Operationsverstärkereingang ist über einen Widerstand 19 mit der positiven Speisespannung verbunden, womit sein Arbeitspunkt definiert ist. Der nichtinvertierende Eingang des Operationsverstärkers 17 ist über den Abgriff eines Potentiometers 21, das zwischen Erde und positiver Speisung geschaltet ist, potentialmässig angehoben. In Fig. 3a ist der Spannungsverlauf des invertierenden Eingangs dargestellt, in Fig. 3b die Differenzspannung der beiden Verstärkereingänge.
Der dc-Pegel des nichtinvertierenden Eingangs wird so eingestellt, dass nur die unterhalb besagten dc-Pegels verlaufenden Spannungen verstärkt werden können. Dies wird dadurch erreicht, dass die dc Differenzspannung, vor allem mit Potentiometer 21, unter Umständen auch mit Widerstand 19 so eingestellt wird, dass der Operationsverstärker bei diesem Wert unmittelbar in der Sättigung liegt. Somit werden mit der aufgezeigten Diodenpolarität, wie Fig. 3c zeigt, nur die Transienten, Vorgänge verstärkt. Die in Fig. 3c aufgezeigte mögliche Ausgangsspannung wird, dc mässig durch eine Kapazität 23 abgeblockt, dem Anzeigeteil 3 zugeführt. Darin werden die Signale, beispielsweise mittels eines Bipolartransistors in Emitterschaltung verstärkt.
Die so verstärkten Signale werden beispielsweise durch ein Drehspulinstrument gemittelt, wodurch man eine Anzeige proportional zum Flächenintegral der unter der Sättigungsgrenze liegenden Spannungsverläufe erhält. Es ist ohne weiteres möglich, beispielsweise mittels einer Kapazitätsanordnung diese Spannungsverläufe über eine gewisse Zeit aufzuintegrieren und das Resultat elektrostatisch zu messen. Damit hat man nun eine Anzeige, die höchst einfach das transiente Verhalten verschiedener Dioden vergleichbar macht.
Zur Überprüfung der Spannungsverläufe im leitenden Diodenbereich wird die Diode umgepolt, was vorzugsweise durch Umschaltung der Klemmenpolaritäten mittels eines Umschalters (nicht dargestellt) erfolgt.
Durch Verstellen des Potentiometers 21 wird das Prüfgerät auf Anzeige der kritischen Kurvenabschnitte eingestellt. Sollen Dioden verschiedener Leistungen gemessen werden, bei denen offensichtlich verschiedene Anzeigen beim selben Zustand bezüglich ihrer Funktionstüchtigkeit erhalten werden, so wird eine Skalenscheibe des anzeigenden Drehspulinstrumentes für die verschiedenen Leistungstypen mit verschieden geeichten Skalen versehen.
Zur Direktmessung des Diodenverhaltens beispielsweise bei laufenden Alternatoren, kann der Oszillator abgestellt werden und die Diodenspannung direkt mit den Prüfklemmen abgegriffen werden. Auf diese Weise können auch Gleichrichter als Ganzes überprüft werden.
Das Umschalten auf diesen Betrieb kann beispielsweise durch einen mit drei Stufen ausgebildeten Dioden-Polaritäts Umschalter erfolgen.
Es ist weiter vorteilhaft, wenn die Oszillatorfrequenz den jeweiligen Betriebsfrequenzen der Dioden angepasst wird, da ansonsten wenig signifikante Aussagen über ihre Tauglichkeit gemacht werden können.
Mit dem beschriebenen Diodenprüfgerät ist es somit auch dem Laien möglich, fehlerhafte Dioden zu detektieren sogar ohne diese beidseits zu lösen und auszubauen, was ansonsten praktisch nur mit Oszillographen und entsprechend hohen zeitlichem und materiellem Aufwand möglich war.
The present invention relates to a method for testing diodes and a diode testing device for carrying out the method.
Since diodes have found worldwide widespread use in industry, primarily in automobile construction, in aircraft and the like, many methods for testing them are already known. Most of the known test methods are based on resistance measurements or load tests on the dynamic behavior of the diode. As far as motor vehicle construction is concerned, reference is made to the very detailed brochure Generators and Controllers in Motor Vehicles # by Willy Heeb, Fachschriftenverlag Aargauer Tagblatt AG, Aarau, for the state of the art. These known methods are carried out in particular by specialists and engineers.
They are mostly very time consuming and are generally unsuitable for the practitioner.
It is also known that diodes often behave correctly when measured statically, although they give rise to errors in the operating situation. The reason for this is to be found in the fact that even slight deviations, which do not cause any changes in the characteristic in the stationary process, but also in the usual dynamic process only to a person skilled in the art, can often have a decisive effect in operation. For example, minor deviations from the semiconductor manufacturing tolerances, depending on the operating conditions, can be insignificant or functionally critical.
Such deviations, which manifest themselves primarily in the transient behavior, can so far only be detected with oscilloscopes, i.e. in a laboratory situation, provided that the target courses are clearly established and can be used for comparisons.
The present invention aims to create a rapid method for testing diodes, which can be carried out effortlessly even by laypeople using the diode testing device according to the invention. Every practitioner is thus able to obtain information about the quality of diodes immediately, even without having any specialist knowledge.
In this sense, the method according to the invention is characterized in that an alternating signal is fed to a diode to be tested, a level range of the diode-distorted alternating signal is selected, an alternating signal range characterizing the switching behavior of the diode being selected as the level range, and the selected signal level range for Evaluates error detection.
The invention will then be explained using figures, for example. Show it:
1 shows a diagram of a diode testing device with functional units partially combined into functional blocks,
2a shows the current curve in a transformer primary winding when driven with square-wave voltage pulses in a diode tester according to FIG. 1,
FIG. 2b shows the flow of flux in a transformer with the primary current applied according to FIG. 2a,
FIG. 2c shows the course of the induced voltage corresponding to a flow course according to FIG. 2b,
FIG. 2d shows the voltage curve at a diode series resistor with the source voltage corresponding to FIG. 2c,
3a shows the superposition of a DC voltage level and a voltage signal according to FIG. 2d,
3b shows the profile of a differential signal formed from a dc voltage and a voltage profile according to FIG. 3a,
Fig.
3c shows the profile of the amplification output voltage at a dc voltage level selected according to FIG. 3b, which is currently overdriving the amplifier.
The diode testing device basically comprises three function blocks, namely an oscillator 1, a measuring block 2 and a display part 3. The oscillator 1 is, for example, an astable multivibrator. The oscillation frequency of the oscillator is preferably adjustable. The measuring block 2 comprises two connection terminals 5. The diode 9 to be tested is connected in between. One of the terminals 5 is grounded, whereas the second leads via a secondary winding 11 of an isolating transformer 7. A potentiometer 13 is connected in series with the diode 9 and the transformer secondary winding 11.
The oscillator output signal is coupled into the measuring block 2 via the isolating transformer 7. In Fig. 2 it is shown which voltage shape can result from the transformer coupling of square-wave pulses of the oscillator 1. 2a shows the current profile in the primary winding of said transformer. Due to the non-linearities of an iron core 15 of the isolating transformer 7, corresponding to a modulation into the saturation region, the course of the induction flux is shown in FIG. 2b as a function of time. Finally, FIG. 2c shows the resulting voltage curve at the potentiometer 13.
In phase A (Fig. 2d) the diode conducts. This creates a negative voltage across the potentiometer 13, because the conductive diode only has a voltage drop corresponding to the forward voltage and is grounded with its cathode, as shown in FIG. The subsequent phase B, in which a small, decreasing positive current flows through the potentiometer 13, can be explained by the fact that, according to the usual diode substitute image in the low-current forward area, the diffusion capacitance parallel to the differential resistance, a discharge process of said capacitance, also over the outer circle with the potentiometer 13 takes place.
If the diode is operated in the high-current area, it would be a transient process in accordance with the substitute image customary there.
In the subsequent phase C, the diode blocks, and the voltage pulse that occurs can be explained by the blocking inertia of the diode.
Phases B and C are transient processes which are mainly determined by the behavior of the minority carrier diffusion currents. In these phases, minor diode errors can already be seen, which can already have an effect during operation.
The voltage across the potentiometer 13 is fed to a differential amplifier connected as a reversing amplifier, which is implemented with an operational amplifier 17. The inverting operational amplifier input is connected to the positive supply voltage via a resistor 19, which defines its operating point. The non-inverting input of the operational amplifier 17 is raised in terms of potential via the tap of a potentiometer 21, which is connected between earth and positive supply. In Fig. 3a the voltage curve of the inverting input is shown, in Fig. 3b the differential voltage of the two amplifier inputs.
The dc level of the non-inverting input is set in such a way that only the voltages below said dc level can be amplified. This is achieved in that the dc differential voltage is set, especially with potentiometer 21, possibly also with resistor 19, in such a way that the operational amplifier is immediately saturated at this value. Thus, with the indicated diode polarity, as FIG. 3c shows, only the transients, processes are amplified. The possible output voltage shown in FIG. 3c is fed to the display part 3, dc blocked by a capacitance 23. The signals are amplified therein, for example by means of a bipolar transistor in an emitter circuit.
The signals amplified in this way are averaged, for example, by a moving-coil instrument, whereby a display is obtained proportional to the area integral of the voltage curves below the saturation limit. It is easily possible, for example by means of a capacitance arrangement, to integrate these voltage profiles over a certain time and to measure the result electrostatically. You now have a display that makes it very easy to compare the transient behavior of different diodes.
To check the voltage curves in the conductive diode area, the polarity of the diode is reversed, which is preferably done by switching the terminal polarities by means of a switch (not shown).
By adjusting the potentiometer 21, the test device is set to display the critical curve sections. If diodes of different powers are to be measured, in which obviously different displays are obtained in the same state with regard to their functionality, a dial of the moving-coil indicating instrument is provided with different calibrated scales for the different types of power.
For direct measurement of the diode behavior, for example with running alternators, the oscillator can be switched off and the diode voltage can be tapped directly with the test terminals. In this way, rectifiers can also be checked as a whole.
Switching to this mode of operation can take place, for example, using a diode polarity switch designed with three stages.
It is also advantageous if the oscillator frequency is adapted to the respective operating frequencies of the diodes, since otherwise little significant statements can be made about their suitability.
With the diode testing device described, it is thus also possible for laypeople to detect faulty diodes even without loosening and removing them on both sides, which was otherwise practically only possible with oscilloscopes and a correspondingly high expenditure of time and material.