时间：2015-12-21 00:03:08 所属分类：电工技术 浏览量:
PTCR老化特性测试仪 黎步银，时峰，周东祥，董浩斌，曾亦可 华中科技大学电子科学与技术系，湖北武汉430074 1 引言 众所周知，PTCR 热敏电阻是一种热开关型元件，其特点( 如图1 —1 所示) 是常温电阻低，而工作状态下的平衡电阻又比较高，这种奇特特性使PT
PTCR老化特性测试仪 黎步银，时峰，周东祥，董浩斌，曾亦可1 引言
众所周知，PTCR 热敏电阻是一种热开关型元件，其特点( 如图1 —1 所示) 是常温电阻低，而工作状态下的平衡电阻又比较高，这种奇特特性使PTCR 元件已广泛应用于工业电子设备、通讯和家用电器产品中〔1 ，2 〕。由于PTCR 元件的大量使用，使得PTCR 元件的生产规模变得越来越大，这就对PTCR 自身的可靠性提出了更高的要求。因此，在产品批量应用前必须进行老化特性测试，以确保其应用可靠性。
老化特性测试指PTCR 元件在额定的工频电压下通过规定的初始电流，通电一定时间，然后断电一定时间待元件温度冷却后，再次通断电，如此反复经受多次冲击的能力。工业化大生产讲求的是效率，元件在批量生产前及出厂前都要被测试，而且测试时间很长，一般要经历1000 小时甚至数月，这就对测试仪的工作效率提出了很高的要求。目前国内现在PTCR 元件的测试方面还远远没有达到高效和高自动化。PTCR 多工位老化特性测试仪的研制正是为解决这一问题而专门设计的，可以对同批次不同工艺样品或不同批次样品同时进行测量，便于分析比较，测试效率提高。
2 测试仪的基本原理和构成
由于PTCR 热敏电阻的热开关特性，其特点是常温电阻低，加压( ≥220VAC) 瞬间冲击电流很大( 几安培～几十安培) ，加电后由于元件自热升温，导致阻值迅速增加，而流过样品的电流迅速衰减。采用通常的加压方法，如果一次加压的样品数量多，其初始电流非常大，容易引起供电设备的损坏，为此必须采用顺序加压的方式提高检测效率。
据此，我单位曾研制了LH －A 型老化特性试验仪，工位数为10 只。图2 —1 是该仪器的基本工作原理，启动时断电器K 闭合，10 路元件依次加上电压，间隔时间为1s ，当达到规定的通电时间后继电器K 断开，10 路样品同时断电，断电时间到后冲击次数加1 ，且仪器开始下一次冲击，直至达到设置的冲击次数后自动停止测试。通／断时间及冲击次数均设置可调，它适合于实验室、技术部门掌握PTC 元件冲击试验的要求，但由于需要手工测试，且工位数较少，不能满足大规模的老化测试要求。
从上述仪器的工作过程看，加电过程是顺序加电，而断电则为同时，也就是说第1 个样品和第10 个样品加电时间在一个周期内相差9s ，当冲击次数上1000 次甚至更多时，样品之间的加电时间相差很远，由此可能带来很大的测量误差，导致测试结果不准确。
此外，当批量生产的产品合格率较低时，由于每一样品回路靠保险丝保护，当某一路样品击穿后，由于保险丝的熔断特性，不仅使样品烧毁，而且使夹具烧毁，测试过程中出现明火导致测试的安全性大大降低，且失效样品通道没有指示。如果中途全部样品击穿，仪器也要继续测试直至冲击次数到达设定值( 除非人工停止) 。
因此，针对现有LH －A 老化特性测试仪的以上缺点，本文主要研制多工位PTCR 老化特性测试仪，使测试工位增至50 位( 最多可达90 位) ，同时，每一测试回路都有击穿( 过电流) 保护电路，确保当一路样品击穿时该路保护电路作用，仅将该测试回路断开而不影响其余回路的测试工作，同时对测试夹具进行保护，无须频繁地更换保险和夹具，从而使测试效率大大提高，且测试成本降低。系统测试工作的基本原理如图2 —2 所示。
3 测试仪硬件设计
根据图2 —2 老化特性测试原理，图中，单片机为AT89C51 ，RL 为限流电阻，K0 为通电／断电继电器，K1 ～KN 工位选通继电器，RPTC1 ～RPTCN 为PTCR 测试样品，RS1 ～RSN 为取样电阻，Fusel ～FuseN 为保险，保护1 ～保护N 为过电流检测、保护电路。多工位PTCR 老化特性测试仪设计的关键之处在于能够同时测量多工位的夹具设计；上料模板设计；PLD 顺序通断控制及驱动电路；过电流检测、保护电路等。整个过程由单片机控制完成。
3 .1 专用测试夹具及上料模板
夹具设计工位多达90 个( 可按用户要求＞90) ，配有专用上料模板，90 只元件同时装夹。元件测试状态完全符合测试标准〔1 〕，测试状态下，元件由上下两电极夹持，处于悬空状态，如图3 —1 所示。图3 —2 是上料模板示意图，测试前将元件依次装到模板上的元件定位槽中，然后装到测试夹具中，开始测量。
3 .2PLD 顺序通断控制及驱动电路
测试控制电路PLD 可编程逻辑器件，速度快，集成度高，具有用户可定义的逻辑功能，可以重复编程。它使数字系统的设计非常灵活，大大缩短研制周期，减少系统的体积和芯片的数量，节省成本，提高可靠性。
主要参数为：工位数：50 只( 可扩展) ；
冲击次数( 工作周期数) ：≤10 6( 可设定) ；
两样品顺序通电或断电时间间隔：0 1 ～9 9s( 可设定) ；
每工位通电时间：1 ～999s 范围内可调节；
每工位断电时间：1 ～99min 范围内可调节；
顺序加电压指示：绿色LED 。
具体工作过程如下：当电源启动后，PLD 顺序通断控制电路开始工作，并使通电／断电继电器K 0 接通；同时顺序加压电路工作，使工位选通继电器K 1 ～KN 依次接通。当通电时间到，继电器K 1 ～K N 依次断开，将电压切断，断电时间开始计数；当断电时间到，冲击次数加1 ，继电器K 1 ～KN 又动作，将电源接通，如此往复，直至设置的冲击次数到；在测试过程中，当样品击穿时，过电流保护电路动作，将该通道自动断开，以免烧毁夹具和保险。因此，过电流保护电路是本仪器设计的关键。
3 .3 过电流保护电路
针对PTC 元件测试过程中加电瞬间冲击电流大及PTC 元件加压失效后在测试回路中产生过电流，从而易烧毁样品夹具和供电设备的特点，本系统在过电流保护方面采用了全新的设计方式。过流检测保护动作电路如图3 —3 所示.
过流检测是通过检测串于测试回路中的取样电阻R6 两端的电压来实现的，取样电阻R6 的阻值很小，为1 Ω，R4 为限流电阻。加压时，对应的加压继电器吸合，此时P1 为高电平。当PTCR 元件击穿时，测试回路电流剧增，从而使采样电阻R6 两端电压增大，Z1 、Z2 为两反向连接的稳压二极管，将LM356 输入端的电压定位于0 ～10V ，以防止过高的电压损坏芯片LM356 。LM356 接成电压跟随器，具有很高的输入电阻，有将下一级电路与前一级电路隔离的功能。电压跟随器的输出通过二极管D1 电容C1 整流滤波后通过电位器RV1 分压输出，作为LM356B 的比较输入，此电压与LM356B 比较端预置的过流保护动作阈值电压进行比较，超过阈值电压时，输出为高电平，触发可控硅SCR 并保持，此时发光二极管LED1 发光指示，光耦TLP521 工作，将P1 下拉为低电平，从而使对应加压继电器J1 断开，切断了加压回路，实现了过流保护。击穿保护指示在停止加压后仍然保持，只有按动“复位”开关，击穿指示才复位，便于测试人员对元件状态进行了解，并及时将坏片予以清除。
4 程序设计要点
程序设计包括PLD 编程和单片机编程。PLD 编程按照事先设定好的通断时间顺序编程仿真、测试。单片机控制流程如图4 —1 所示，由上位机编写程序，然后写入单片机。
测试仪中时序逻辑程序控制器对样品采用顺序加压、顺序断电的方式，避免了测试过程所产生的大电流对电网的冲击和对仪表的干扰，同时也确保每个工位的测试条件完全相同。由于采用专用测试夹具和模板上料，工位数大大提高，提高了测试效率，也降低了产品受损伤的几率。本系统具有自动化程度高，测试过程无需人员监守，测试完毕自动停止并自动保持显示被击穿PTC 元件的工位号。
测试仪制造采用模块化设计，系统的制造成本也下降了约50% ，为测试仪的推广应用创造了有利的条件。同时对有关电路模块进行适当改造，可制成多工位PTCR 自动耐电流冲击测试仪，PTCR 耐雷电冲击测试仪，PTCR 耐电压测试仪等，为PTCR 热敏电阻测试提供多方面的手段。
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