基于8031单片机和转换系统实现智能化浪涌电流测试仪的设计

引 言

随着整流二极管在电子工业特别是家电行业的广泛应用，用户对整流二极管的技术参数要求越来越严格。在国内，生产厂家对整流二极管浪涌电流的测试标准（国标）是在整流二极管的两端加一个时间常数10 ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲电流。美国国家半导体公司对浪涌电流的测试标准是在整流二极管两端加上正常的正向整流电流的基础上再加一个时间常数为10 ms或8.3 ms、导通角为O°～180°的正弦半波脉冲电流；日本某电子公司要求生产厂家在整流二极管两端加连续两个时间常数为10 ms或8.3 ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲电流。同时，还要把实际测量结果用打印机打印出来。显然，以前采用截取市电交流波形来产生时间常数为10 ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲的办法，已经行不通了。因此，根据用户的要求，以原有的浪涌电流测试仪为基础，用以8031为核心的单片机及D/A和A/D转换系统，设计生产新一代智能化浪涌电流测试仪。

1、性能特点

根据国家标准GB/4023-1997提出的浪涌电流的测试标准，参照美国国家半导体公司的测试标准及日本某电子公司的测试标准，研制生产了浪涌电流为10A～2 kA的智能化浪涌电流测试仪。该仪器对整流电流为1 A～lOO A的被测整流二极管和整流电流为1 A～25 A的被测桥式整流器可进行如下工作：

a）按被测样品的技术要求进行正向不重复浪涌电流，IFSM的测试，并测该样品在浪涌电流时的正向导通压降VFM。

b）在对被测样品浪涌电流过后的瞬时施加额定反向电压的检测。

c）检测结果用微型针式打印机打印出来。

该测试仪的技术指标如下：能产生2 kA电流的储能源；具有恒流驱动功能；能产生时间常数为10 ms、8.3 ms，导通角为0°～180°的正弦半波脉冲；体积小，为320 mm（高）×440 mm（宽）×550mm（深）；数字显示，清晰易读；具有实时打印输出；浪涌电流值为10 A～2 kA，电流间隔为5 A/挡，根据需要均可在仪器面板上设定；浪涌电流波形为10 ms、8.3 ms两挡，0°～180°正弦半波脉冲，根据需要可在仪器面板上选择设置；浪涌电流误差为≤±2.5％；具有充电电平指示和放电次数显示；充电时间为《15 s；具有故障指示，监视恒流源有无故障；根据需要可提供波形监视插座和可控硅栅极信号插座。

2、 结构框图及单元分析

该测试仪器的结构框图如图1所示。

其基本工作原理是：在仪器面板上设置好所需的浪涌电流值和时间常数后，由220V交流电压经变压整流后对储能源进行充电，达到额定电压值后，由微处理器控制并发出一个时间常数为10 ms或8.3 ms、导通角为0°～180°正弦半波脉冲加到恒流管驱动电路，使恒流管导通。储能源释放电流经被测样品和恒流管构成的回路进行放电，检测流经被测样品的电流峰值，即为正向不重复浪涌电流IFSM。检测被测样品两端的电压值即为正向导通（浪涌时）压降VFM。

储能源由质量稳定的大容量电解电容器组构成，其容量取决于浪涌电流的最大值。仪器所需电流最大值为2 kA，则储能源的电流充放容量必须大于2 kA，当t=10 ms时，根据，I=Q/t，储能源充电电压V设计为40 V，I=2 kA，则C=Q/V=0．5 F。当t=8.3 ms时，C=0.415 F，因此必须具有大于0.5 F容量的电解电容器组。经过实验和考虑到电解电容器的误差及充电时间要求，最后设计储能源时增加到1 F容量，并在结构安装上尽量减少接触电阻，保证电流顺利释放。

恒流源驱动电路由大功率达林顿管并联构成，它的作用是：当储能源电容器充满电荷后，由恒流源驱动电路对被测样品控制放电，亦即浪涌电流试验。根据设计的要求，若采用最大输出电流为2 kA，则必须有200只最大导通电流为10 A以上的大功率达林顿管并联，采用可靠的电流均衡和保护电路，为留有余量，选择256只。同样，在结构安装上尽量减少接触电阻。

由8031微处理器为主组成的硬件系统、薄膜键盘、软件系统、微型打印机等构成本仪器的智能化控制系统，经D/A转换，完成浪涌电流值信号、时间常数信号的产生和设置，对流经被测样品的浪涌电流和导通压降的检测，经A/D转换及软件处理后在仪器面板上以LED数码管显示，打印出实时的IFSM值和VFM值。

由D/A转换器组成的正弦单脉冲信号发生器产生一个时问常数为10 ms或8.3 ms、导通角为0°～180°的浪涌电流控制信号，加到恒流源驱动电路的大功率达林顿管的基极，则恒流源驱动输出加到被测样品的浪涌电流始终保持一个时间常数为10ms或8.3 ms、导通角为0°～180°的正弦半波脉冲。在恒流源输出的均衡电阻两端取出浪涌电流值信号，在被测样品的两端取出正向导通（导通时）压降信号。送到A/D转换电路，再经单片机进行数据处理和修正，在仪器面板上由数码管显示，若需打印，则按打印按钮，把被测样品的实时检测结果（TFSM，VFM）打印出来。

2 kV可调反向电压用于被测样品经浪涌电流冲击测试后加一个反向电压再冲击一下，检测被测样品是否既能承受浪涌电流的冲击，同时还要经受反向电压的考验。

另外，根据美国国家半导体公司对整流二极管浪涌电流的测试要求研制生产一个能够恒流输出2 A电流的直流电源，仅限于小电流整流二极管在整流状态下的浪涌电流测试，俗称动态测试。

根据日本某电子公司对整流二极管浪涌的测试要求，在程序设计时附加开发了一个能同时发两个连续浪涌电流脉冲的功能模块。

检测整流二极管两端的正向（浪涌时）压降这一指标在浪涌电流测试标准上没有这个要求，检测这项参数的目的是在相同的浪涌电流冲击下，观察各被测样品批次其导通时的管压降，用来检测生产工艺的一致性，为工艺质量保证提供参考依据，桥式整流器中4个管子改为二极管的管压降检测尤其显得重要。很明显，如果其中只有某一个管子在浪涌时的导通压降与其它3个管子有较大的区别，这个管子在实际使用中的损坏概率要远大于另外3个管子，也就是说，这样的整流器比4个管子的导通压降误差小的桥式整流器的损害概率要大得多。如用其他方法测试桥式整流器导通压降的一致性是很困难的。因此，用浪涌电流测试外加检测浪涌时的导通压降，无论是生产厂家还是用户都是一项先进也是很重要的测试手段。

3、 软件程序

软件程序如图2所示。

4、 结论与误差分析

浪涌电流测试仪在实际工作中，浪涌电流值的测试误差主要表现在低端50 A以下，高端1.8 kA以上，在另外的中间段的测试误差都能达到小于2％，比较理想。对高低端测试误差除了硬件部分以外，主要靠软件来补偿修正。经过软件处理以后，在10 A～2 kA的电流范围内，测试误差均能达到设计指标，并且重复性很好。采用了面板设置按钮，操作很方便，数据直观清晰。同时做r另外两项实验：一项是被测试样品在整流电流为1 A的工作状态下再施加浪涌电流冲击，实际测试的10个样品没有一个损坏，也就是说浪涌电流测试仪对被测样品无论在静态或在动态情况下都能正常工作，整流二极管经得住静态和动态的浪涌电流冲击；另一项是按日本某电子公司标准加连续两个正弦半波脉冲，在实际测试的10个样品，损坏率大于50％，可见按日本某电子公司标准对被测样品进行浪涌电流测试的话，对整流二极管生产厂家提出了更加苛刻的质量要求，同时也证明我们自主研制生产的智能化浪涌电流测试仪是一台技术先进、质量可靠的新型测试仪器，符合国内外整流二极管生产厂家和用户对浪涌电流的测试要求。

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