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G. Käfer:
"Entwicklung eines computerunterstützten Mess- und Regelungssystems zur thermischen Charakterisierung elektronischer Bauelemente";
Betreuer/in(nen): G. Hanreich; Institut für Industrielle Elektronik und Materialwissenschaften, 2002.

Auf Grund der ständig steigenden Verlustleistungsdichten elektronischer Bauelemente wird die thermische Optimierung von Bauelementen und Baugruppen immer wichtiger. Bei der experimentellen thermischen Optimierung werden Temperaturen auf unterschiedliche Weise gemessen (z.B. Temperaturabhängigkeit einer Diodenflussspannung, Thermoelemente).
Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde ein Temperatur- beziehungsweise Spannungsmesssystem entwickelt, das über die USB-Schnittstelle mit der dafür eigens entwickelten Windows-Anwendersoftware die Messdaten austauscht.
Durch die Verwendung der USB-Schnittstelle kann das entwickelte Messgerät direkt über die Schnittstelle versorgt werden. Diese Tatsache macht den mobilen Einsatz dieses Messsystems mittels eines Notebooks möglich.
Für jeden der drei implementierten Kanäle wird ein Messvorverstärker vorgesehen, dessen Verstärkung über das implementierte Anwenderprogramm softwaretechnisch eingestellt werden kann (1,10,100 und 1000). Durch den verwendeten Messvorverstärker in Verbindung mit der Anwendersoftware ist es möglich, beliebige Thermoelemente verschiedenen Typs mit unterschiedlichen SEEBECK-Koeffizienten zur Temperaturmessung einzusetzen. Die notwendige Umrechnung der Anzeige des Messwerts erfolgt direkt über das Windows-Anwenderprogramm, indem der jeweilige SEEBECK-Koeffizient vom Benutzer innerhalb des Programms eingestellt werden kann. Da ein Thermoelement lediglich die Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Anschlussklemmen misst, wurde weiters eine Schaltung innerhalb des Messgeräts zur Messung der Temperatur an den Anschlussklemmen realisiert (unter Verwendung eines eispunktkompensierten Temperaturmessbausteins). Durch diese Maßnahme ist die Messung der tatsächlichen Temperatur an der Messstelle überhaupt erst möglich.
Um eine Stromversorgung über den USB zu ermöglichen, wurde der gesamte Strombedarf des Messsystems unter 100 mA gehalten. Da die USB-Schnittstelle nur eine unipolare Spannung von +5 V liefert, war es nötig, diese innerhalb des Messsystems in eine bipolare Spannung zur Versorgung der verwendeten Instrumentationsverstärker zu wandeln. Unter anderem war dies notwendig, um auch negative Spannungen messen zu können, wie sie an Thermoelementen auftreten, bei denen die Kontaktstelle der beiden Metalle kälter ist als ihre Anschlussklemmentemperatur.
Aktuell umfasst das im Rahmen dieser Diplomarbeit entwickelte Messgerät drei Kanäle, wobei jedoch eine Erweiterung auf sieben Kanäle vorgesehen und vorbereitet ist. Darüber hinaus verfügt das System noch über sieben zur Zeit nicht verwendete digitale Ein-/Ausgänge, welche für zukünftige Steuerungsaufgaben eingesetzt werden können.

Due to the permanently increasing power loss density of electronic components the meaning of thermal issues becomes more and more important. For their thermal characterization temperatures are measured in various ways (e.g. the temperature dependence of the voltage drop of integrated diodes, thermocouples, and thermistors).
The goal of this diploma thesis was the development of a temperature and voltage measuring system consisting of a measuring assembly and a WINDOWS based special-purpose software called "Oszilloskop". The measured data are exchanged over an USB interface allowing to use the measuring system as a portable system in combination with a notebook.
The measuring system has three bipolar input channels each of which is provided with a measuring amplifier. The gain is selected by the user with the above mentioned application software (factor 1, 10, 100, and 1000). The software allows the user either to select predefined parameter sets for the conversion of the measured contact voltage into temperature values of all commonly used thermocouples or to define a parameter set on his own for the conversion of an arbitrary combination of Seebeck coefficients. Since a thermocouple can only produce a contact voltage according to the difference of the temperature of the measuring junction and of the junctions between the terminals and the measuring circuit (input plug connector), an additional measuring circuit is implemented to measure the plug temperature.
The measuring device is provided with two measuring modes: the temperature and the voltage measurement. In the latter one the measured values are automatically corrected by the plug temperature.
A further important feature of this system is the fact that the measuring assembly is powered simply by the USB. For this reason the total current consumption had to be limited to 100 mA. The renunciation of an external power supply allows to measure small voltages in the range of a few microvolts also in an electromagnetically loaded environment. The USB interface only produces a unipolar voltage of +5 V. This voltage was converted into a bipolar 10 V DC voltage in order to supply the measuring amplifier and so to allow to measure temperatures below ambient and voltages with both signs, respectively.
The system is designed for long-time measurements up to several days. The maximum measuring clock frequency depends on the used notebook and its performance (100 Hz per channel has been achieved with the used set-up).
As an outlook on future developments the measuring system is prepared for an upgrade to seven input/output channels which can be used e.g. for closed-loop controlled measuring processes.