Thermal Impedance Measurement of Thick-Film Resistor in High-Frequency Range Using Single-Detector IR System

eng Artykuł w języku angielskim DOI: 10.14313/PAR_251/81

wyślij Maria Strąkowska *, Bogusław Więcek *, Gilbert De Mey ** * Lodz University of Technology, Institute of Electronics, Poland ** University of Ghent, Department of Electronics and Information Systems, Belgium

Pobierz Artykuł

Abstract

This paper presents an innovative and simple method of high-frequency thermal impedance measurement using infrared (IR) technique. The method is based on the Fourier transformation of the input power signal and the thermal response of the object after supplying the heat source with square-wave current of different frequencies. The experiment was carried out using a single-detector, low-cost infrared system equipped with a photovoltaic detector module to measure the thermal impedance of an SMD thick-film resistor. Both the simulation using a compact thermal model and the measurement results are discussed.

Keywords

Fourier transform, IR thermography, thermal impedance, thermography measurement

Pomiar impedancji termicznej rezystora grubowarstwowego w zakresie dużych częstotliwości przy zastosowaniu systemu termowizyjnego z pojedynczym detektorem

Streszczenie

Artykuł przedstawia nową, prostą metodę pomiaru impedancji termicznej w zakresie dużych częstotliwości przy wykorzystaniu technik podczerwieni. W tym celu zastosowano transformację Fouriera sygnału wejściowego oraz odpowiedzi termicznej badanego obiektu po pobudzeniu go źródłem ciepła w postaci prądu o kształcie prostokątnym i o różnej częstotliwości. Eksperyment został przeprowadzony przy użyciu taniego systemu termowizyjnego z pojedynczym fotowoltaicznym detektorem podczerwieni w celu pomiaru impedancji termicznej grubowarstwowego rezystora SMD. Badana próbka pobudzana była sygnałem prostokątnym o różnych częstotliwościach z zakresu 2–100 Hz, a system IR rejestrował zmianę wartości jego temperatury. W celu potwierdzenia poprawności uzyskanych wyników badań opracowano model kompaktowy RthCth struktury rezystora oraz podłączonych do niego wyprowadzeń. Przeprowadzone symulacje potwierdziły poprawność zarówno metody pomiaru jak i opracowanego modelu termicznego. Kształt wykresów Nyquista impedancji termicznej dla modelu jak i pomiaru jest zbliżony. W zakresie dużych częstotliwości oba wykresy zbliżają się do linii o nachyleniu –45° przekraczając tę linię w dwóch punktach. Zaproponowana metoda pomiaru impedancji termicznej jest szybka, niezawodna, nieinwazyjna i bezkontaktowa. Może być wykorzystana również do zastosowań biomedycznych np. do diagnostyki chorób skóry. Metoda ta upraszcza identyfikację termiczną obiektów w stanie dynamicznym i może być alternatywą dla stosowania do tego celu drogich systemów termowizyjnych z detektorami chłodzonymi.

Słowa kluczowe

impedancja cieplna, pomiary termograficzne, przekształcenie Fouriera, termografia w podczerwieni

Bibliografia

  1. Szekely V., On the representation of infinite-length distributed RC one-ports. “IEEE Transactions on Circuits and Systems”, Vol. 38, No. 7, 1991, 711–719, DOI: 10.1109/31.135743.
  2. Szekely V., Identification of RC networks by deconvolution: Chances and limits. “IEEE Transactions on Circuits and Systems”, Vol. 45, No. 3, 1998, 244–258, DOI: 10.1109/81.662698.
  3. Vermeersch B., Thermal AC Modelling, Simulation and Experimental Analysis of Microelectronic Structures Including Nanoscale and High-Speed Effects. PhD Thesis, Gent University, Gent, Belgium, 2009.
  4. Gustavsen B., Improving the pole relocating properties of vector fitting. “IEEE Transactions on Power Delivery”, Vol. 21, No. 3, 2006, 1587–1592, DOI: 10.1109/TPWRD.2005.860281.
  5. Garnier H., Mensler M., Richard A.A., Continuous-time Model Identification from Sampled Data: Implementation Issues and Performance Evaluation. “International Journal of Control”, Vol. 76, No. 13, 2003, 1337–1357, DOI: 10.1080/0020717031000149636.
  6. Marco S., Palacin J., Samitier J., Improved multiexponential transient spectroscopy by iterative deconvolution. “IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement”, Vol. 50, No. 3, 2001, 774–780, DOI: 10.1109/19.930453.
  7. Ljung L., Experiments with Identification of Continuous-Time Models. “IFAC Proceedings Volumes”, Vol. 42, No. 10, 2009, 1175–1180, DOI: 10.3182/20090706-3-FR-2004.00195.
  8. Yarman B.S., Kilinc A., Aksen A., Immitance Data Modelling via Linear Interpolation Techniques: A Classical Circuit Theory Approach. “International Journal of Circuit Theory and Applications”, Vol. 32, No. 6, 2004, 1467–1563, DOI: 10.1002/cta.295.
  9. Jibia A.U., Salami M.J., An Appraisal of Gardner Transform-Based Method of Transient Multiexponential Signal Analysis. “International Journal of Computer Theory and Engineering”, Vol. 4, No. 1, 2012, 16–24, DOI: 10.7763/IJCTE.2012.V4.420.
  10. De Tommasi L., Magnani A., De Magistris M., Advancements in the identification of passive RC networks for compact modeling of thermal effects in electronic devices and systems. “International Journal of Numerical Modelling”, Vol. 31, No. 3, 2017, 64–66, DOI: 10.1002/jnm.2296.
  11. Shindo Y., Noro O., Effective frequency range of ladder network realization for complex permeability of magnetic sheets, “IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering”, Vol. 9, No. 51, 2014, 64–66, DOI: 10.1002/tee.22035.
  12. Wang K., Chen M.Z.Q., Chen G., Realization of a transfer function as a passive two-port RC ladder network with a specified gain. “International Journal of Circuit Theory and Applications”, Vol. 45, No. 11, 2017, 1467–1481, DOI: 10.1002/cta.2328.
  13. Karimifard P., Gharehpetian G.B., Tenbohlen S., Localization of winding radial deformation and determination of deformation extent using vector fitting-based estimated transfer function. “European Transactions on Electrical Power”, Vol. 19, No. 5, 2013, 749–762, DOI: 10.1002/etep.253.
  14. Strakowska M., Chatzipanagiotou P., De Mey G., Chatziathanasiou V., Więcek B., Novel software for medical and technical Thermal Object Identification (TOI) using dynamic temperature measurements by fast IR cameras, Proceedings of QIRT 2018, Berlin, 531–538, http://qirt.gel.ulaval.ca/dynamique/index.php?idD=78.
  15. Strąkowska M., Chatzipanagiotou P., De Mey G., Więcek B., Multilayer thermal object identification in frequency domain using IR thermography and vector fitting. “International Journal of Circuit Theory and Applications”, Vol. 48, No. 9, 2020, 1523–1533, DOI: 10.1002/cta.2845.
  16. Beuken C.L. Wärmeverluste bei periodisch betriebenen elektrischen Öfen: eine neue Methode zur Vorausbestimmung nicht-stationärer Wärmeströmungen. PhD Thesis, Bergakadem Freiberg, Triltsch & Huther, 1936.
  17. Minkina W., Chudzik S., Pomiary parametrów cieplnych materiałów termoizolacyjnych – przyrządy i metody. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004, ISBN 83-7193-216-2.
  18. Minkina W., On some singularities in space discretization while solving the problems of unsteady heat conduction. “Experimental Technique of Physics”, Vol. 41, No. 1, 1995, 37–54.
  19. Minkina W., Space discretization in solving chosen problems of unsteady heat conduction by means of electric modelling. “Elektrotechnickỳ časopis”, Vol. 45, No. 1, 1994, 8–15.