Forrásmérő egységek – multifunkciós eszköz az Ön asztalára

Az egyik legnagyobb akadály, amellyel az elektronikai tervezőmérnököknek szembe kell nézniük, az eszközeik energiafelhasználási korlátai. Akár olyan tárgyak internetét (IoT) használó eszközről van szó, amelynek sok éven át kell működnie egyetlen akkumulátorral, akár olyan elektromos járműről, amelynek maximális hatótávolságot kell elérnie, az energiafelhasználás elemzése kritikus fontosságú. Számos rendszer esetében további kihívást jelent a félvezetők és más nemlineáris eszközök pontos jellemzése és tesztelése, amelyek feszültség- és áramjellemzői pozitív és negatív értékeket is felölelhetnek. Jó példa erre a LED-ek jellemzésének szükségessége a meghajtóáramkörök optimalizálásának biztosítása érdekében.

Az ehhez hasonló követelmények esetén a mérnökök egyre gyakrabban fordulnak a forrásmérő egységekhez (SMU), egy olyan elektronikus műszerhez, amely működés közben feszültségforrásként, áramforrásként, feszültségmérőként, árammérőként és ellenállásmérőként is működhet. A paraméteranalizátorokból fejlődött ki, az első önálló SMU – a Keithley 236 – 1989-ben jelent meg a piacon. Ma egy SMU magában foglal egy nagy stabilitású egyenáramú áramforrást állandó áramforrásként vagy állandó feszültségforrásként, valamint egy nagy pontosságú multimétert. Négy kvadránsos eszközként az SMU egyidejűleg áramot ad egy pár csatlakozóra (pozitív) vagy elszív (negatív). Ezzel egyidejűleg képes mérni is az áramot vagy a feszültséget ezeken a csatlakozókon.
A felhasználók beállíthatnak egy pontos áram- vagy feszültséghatárt, és jelzést kapnak arról, hogy elérték-e ezt a határt anélkül, hogy elveszítenék a forrásteljesítményt. A Tektronix vállalathoz tartozó Keithley Instruments szerint a ma kapható SMU-k választéka az áram (100 fA-tól 50 A-ig) és a feszültség (100 nV-tól 3 kV-ig) -forrásigények igen széles skáláját képes lefedni, akár 6 ½ digites mérési felbontással.
Az SMU ellentétben áll a szabványos tápegységgel, amely csupán pozitív feszültséget és pozitív áramot szolgáltat. Az úgynevezett kétnegyedes tápegységek ezt azzal bővítik, hogy egy terhelést is tartalmaznak. Néhány csúcskategóriás laboratóriumi tápegység négy kvadránsos működést kínál, de sokan még mindig elsősorban az alkalmazás tápellátására összpontosítanak, és a mérési képességek csak utólag kerülnek előtérbe.
Dr. Philip Weigel, a Rohde & Schwarz termékmenedzsment igazgatója kifejtette a Rohde & Schwarz tápellátási termékek, mérők, források és hangelemzők területén: „A dióda I-V görbéjét vizsgáló tesztmérnököknek a negatív feszültségektől és áramoktól kezdve, a nullát átlépve, a pozitív feszültségek és áramok felé haladva kell az I-V görbét elemezniük. Ez az I és V pásztázás képessége lehetővé teszi az eszközök változatos körülmények között történő vizsgálatát, különböző forrás-, késleltetési és mérési jellemzőkkel.”

1. ábra Keithley Instruments 2450 SourceMeter SMU

Az első integrált vizsgálati műszer

A digitális multiméter (DMM), a tápegység, a valódi áramforrás, az elektronikus terhelés és az impulzusgenerátor szerepének egy műszerben való egyesítése akár 44 százalékát is megtakaríthatja a különálló vizsgálóműszerek beszerzési költségének. Ezen túlmenően egyetlen SMU akár 75 százalékos munkaterület-megtakarítást is eredményezhet, és a Keithley Instruments szerint akár 60 százalékkal csökkentheti a kábelek és tesztvezetékek számát.
Egy SMU fejlettebb környezetben is használható, és biztosítja, hogy minden mérés korreláljon egymással. Bradley Odhner, a Tektronix és a Keithley Instruments műszaki marketingmenedzsere így nyilatkozott: „Az emberek igyekeznek a lehető legtöbbet kihozni a berendezésekből. Az SMU-k nagyszerűek azon vállalatok számára, amelyek egyetlen műszerrel sok nagyon összetett dolgot szeretnének elvégezni. Ez még kritikusabbá válik, mivel az eszközök egyre inkább miniatürizálódnak.”
Napjainkban az SMU-k tovább fejlődnek, egyes modellek alapvető oszcilloszkópos funkciókkal egészülnek ki. Ez a fajta innovatív megközelítés azonban nem volt mindig könnyű, mivel a vizsgálóműszerek gyártóit gyakran korlátozza a hagyományosabb termékcsaládok gyártásának igénye. Mike Hoffman, a Keysight Technologies termékmenedzsere szerint azonban a vállalatok alkalmazkodnak a megközelítésükhöz, hogy magasan integrált tesztmegoldásokat hozzanak létre. „Korábban volt egy oszcilloszkópos, egy tápegységes és egy hálózatelemző részlegünk, amelyek mind önállóan működtek. Bár ez elősegítette az innovációt, nem volt kedvező a különböző berendezések közötti integráció javításához” – mondta Mike Hoffman. –„Most sokkal jobb helyzetben vagyunk ahhoz, hogy olyan integrált berendezéseket fejlesszünk ki, amelyek tükrözik azt az integrált munkakörnyezetet, ahonnan származnak.”

2. ábra A Rohde & Schwarz legkorszerűbb NGU401-es modellje

Energiahatékonyság: az SMU-k nagyobb szerepvállalása

Az SMU-k sokféle alkalmazásban használhatók. Bár gyakran az alkatrészek jellemzésére szolgáló eszközként tekintünk rájuk, az energiahatékonyság és az akkumulátortechnológia javítására való összpontosítás napjainkban felértékelte az SMU-k szerepét. Ma már gyakran használják őket az akkumulátorok tesztelésében, valamint az IoT-eszközök esetében.
A nagyobb energiahatékonyság felé való törekvés még nagyobb igényt támaszt a precíziós mérési képességek iránt. Az energiafogyasztás pontos mérése komoly kihívást jelent a mérnökök számára, különösen a nagyon alacsony értékek mérésekor. Ez az IoT-eszközök esetében fordulhat elő, amelyek gyakran válthatnak állapotok között. Az akkumulátorok maximális élettartamának biztosítása különösen nagy kihívást jelent ezekben az alkalmazásokban, mivel az IoT-eszköznek vannak adás, üresjárat, alvó és mélyalvó állapotai. Ez valódi kihívást jelent a kutatás-fejlesztésben, mivel a fejlesztők azt szeretnék, hogy az eszköz az ügyfél igényei szerint adjon és reagáljon. Ugyanakkor azt is szeretnék, hogy az eszköz a lehető leggyorsabban menjen át mélyalvó állapotba, hogy hosszabb akkumulátor-élettartamot érjenek el.
Az akkumulátor élettartamának optimalizálásához olyan műszerekre van szükség, amelyek árammérési tartománya több száz nanoampertől az amperig terjed, képesek mindössze néhány mikromásodpercnyi áramimpulzusok rögzítésére, és nagy méretű memóriával rendelkeznek a prototípuseszköz áramprofiljának tárolására. Az SMU-k hatékonyan képesek az akkumulátor élettartamának optimalizálását lehetővé tevő pontos mérések elvégzésére. Egy másik prioritás az IoT-eszközt tápláló akkumulátor modelljének létrehozása. Egy akkumulátormodell-generáló parancsfájl szabályozott áramterhelésként működtetheti az SMU-t, és levezetheti a modell paramétereit.
„Egy SMU különböző akkumulátortípusokat is képes szimulálni. Például egy fejlesztőnek lehet egy IoT-eszköz új tervezése, és el akarja dönteni, hogy a nikkel-kadmium akkumulátorok megfelelők-e. Használati eseteken is gondolkodhatnak. Mi van például, ha a fogyasztó síelés közben használja az eszközt, hogyan viselkedne az eszköz nagyon hideg körülmények között? Legtöbb SMU-nál betölthetünk egy akkumulátormodellt, és az SMU szimulálja az akkumulátor feszültségét és impedanciáját a különböző töltöttségi állapotokban” – mondta Dr. Weigell.
Erre a tesztalkalmazásra példa a 2450 Source Meter SMU a Keithley Instruments-től, amely programozható egy akkumulátor kisütésére és az akkumulátor modelljének létrehozására a vállalat 2281S-20-6 akkumulátorszimulátorában való használatra. A szimulátor az akkumulátormodell segítségével emulálja a valódi akkumulátort. Ezután a termék reális, megismételhető körülmények között történő tesztelésére használható, meghatározva, hogy a termék hogyan viselkedik, amikor az akkumulátor különböző kisülési körülmények között táplálja.
Az SMU-k által kínált pontosság más alkalmazásokat is megnyit. Dr. Weigell így nyilatkozott: „Bár az SMU-k legtermészetesebb alkalmazási területe a félvezetők, a másik két fontos területe a precíziós elektronika, valamint a kutatás és az oktatás.” Az SMU például felbecsülhetetlen értékű mérőeszköz a kvantumtechnológiákkal vagy új anyagokkal foglalkozó kutatók számára, mivel nagyon kis áramerősségeket képes nagyon nagy pontossággal mérni.

3. ábra A Keithley Instruments 2461 típusú SMU-ja

LED- és akkumulátortesztelés

Az alkatrészek jellemzése az SMU-k nagyon gyakori felhasználási területe. Manapság az SMU-kat széles körben használják a LED-ek optimális meghajtásának biztosítására. Az egyik prioritás az I-V görbe. Mivel a LED-eknek a negatív feszültségektől és áramoktól a pozitívig kell haladniuk, négy kvadránsra van szükség, ami SMU-t igényel. Egy másik vizsgálandó terület az, hogy a LED mikor kezdi és mikor hagyja abba a fénykibocsátást. Egy műszer megméri a dióda fénykibocsátását, és korrelál az SMU saját méréseivel.
Egy másik fontos szempont az áramtúllépés. Egy normál tápegység a feszültségen szabályoz. Ha öt voltra van beállítva, akkor megpróbálja elkerülni a feszültség túllövését, de nem fordít túl nagy figyelmet arra, hogy mi történik az árammal. Sok SMU rendelkezik áramprioritási móddal, ahol a tápegység vagy az SMU szabályozza az áramot, és elkerüli a LED esetleges károsodását.

4. ábra Keysight B2912 típusú SMU (B2900B /B2900BL sorozat)

Minden alkalmazásra SMU

A legtöbb jelentős vizsgálóeszköz-gyártó ma már kínál SMU-kat a különböző igényeknek és költségvetéseknek megfelelően.
A Rohde & Schwarz legkorszerűbb NGU401-es modellje hat mérési tartományt kínál az áram mérésére, és akár 6 ½ digites felbontást a feszültség, az áram és a teljesítmény mérésekor. Az SMU-t olyan eszközök jellemzésére tervezték, amelyek a rendkívül alacsony fogyasztástól az ampertartományban mért nagy áramokig működnek.
A Keithley Instruments 2634b sorozatú (2634b series) SMU-i beépített plug-and-play Java-alapú I-V karakterizálási és tesztelési szoftverrel rendelkeznek, míg a 2461 SMU-t nagy teljesítményű anyagok, eszközök és modulok, például SiC, GaN, DC-DC átalakítók, teljesítmény-MOSFET-ek és napelemek jellemzésére és tesztelésére optimalizálták.
A Keysight B2900B és B2900BL sorozatú precíziós SMU-k ±210 V maximális feszültséggel, ±3 A DC maximális árammal és ±10,5 A impulzusforrással rendelkeznek. A legalább 10 fA / 100 nV-os precíziós forrás és mérési felbontás révén a B2900B és B2900BL sorozat olyan alacsony szintű méréseket végezhet, amelyek korábban csak drágább félvezető eszközelemzővel voltak lehetségesek. A felhasználóbarát előlapi színes LCD grafikus felhasználói felület (GUI) több feladatalapú megjelenítési móddal rendelkezik, amelyek lehetővé teszik a felhasználók számára a mérések gyors elvégzését és az adatok megjelenítését. A B2900B / BL sorozatú SMU támogatja a hagyományos SMU SCPI parancsokat is a tesztkódok egyszerű migrálása érdekében, és a PC-alapú vezérlőszoftver segítségével távolról is végezhetők mérések. Ezek a funkciók javítják a hatékonyságot és csökkentik a tulajdonlási költséget, amikor az SMU-kat integrálják a gyártási teszteléshez használt rendszerekbe.
A DMM és a tápegység legjobb tulajdonságait ötvöző eszköz kifejlesztésével az SMU-k az elektronikus alkatrészek és termékek fejlesztői számára egy olyan hatékony eszközt jelentenek, amelyek nemcsak költséghatékonyak, hanem sokkal hasznosabbak és kompaktabbak, mint a két különálló műszer.

Szerző: Cliff Ortmeyer – a Farnell műszaki marketing globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com