Una dintre restricțiile majore cu care se confruntă inginerii de proiectare din domeniul electric este limita de utilizare a puterii dispozitivelor lor. Indiferent dacă produsul este un dispozitiv IoT (Internet of Things) care trebuie să funcționeze timp de mai mulți ani alimentat de la o singură baterie sau un vehicul electric care trebuie să atingă o autonomie maximă, o analiză a consumului de energie este esențială. O altă provocare pentru multe sisteme este caracterizarea și testarea precisă a semiconductorilor și a altor dispozitive neliniare, cu caracteristici de tensiune și curent care pot cuprinde atât valori pozitive, cât și negative. Un bun exemplu este necesitatea de a caracteriza LED-urile pentru a se asigura că circuitele de comandă sunt optimizate.
Pentru astfel de cerințe, inginerii apelează din ce în ce mai des la unitățile SMU (source measure units), un instrument electronic care poate furniza energie și măsura în același timp. Evoluând de la analizoarele de parametri, prima unitate SMU autonomă – Keithley 236 – a fost lansată în 1989. În prezent, o unitate SMU încorporează o sursă de curent continuu foarte stabilă ca sursă de curent constant sau ca sursă de tensiune constantă, precum și un multimetru de înaltă precizie. Fiind un dispozitiv cu patru cvadrate, SMU livrează energie (pozitiv) sau absoarbe energie (negativ) simultan la o pereche de terminale. În același timp, poate măsura și curentul sau tensiunea pe aceste terminale.
Utilizatorii pot seta o limită precisă de curent sau de tensiune și pot obține o indicație că au atins acea limită fără a pierde din puterea sursei. Potrivit Keithley Instruments, o companie Tektronix, gama de SMU-uri disponibile în prezent poate acoperi o gamă foarte largă de cerințe privind sursele de curent (de la 100 fA la 50 A) și de tensiune (de la 100 nV la 3 kV), cu o rezoluție de măsurare de până la 6,5 cifre.
SMU contrastează cu o sursă de alimentare standard, care oferă doar tensiuni pozitive și curent pozitiv. Așa-numitele surse de alimentare cu două cvadrate extind acest lucru prin încorporarea unei sarcini. Unele surse de alimentare de laborator de top oferă o funcționare cu patru cvadrate, însă multe dintre ele încă se concentrează în primul rând pe furnizarea de putere către o aplicație, în timp ce capabilitățile de măsurare sunt considerate un detaliu ulterior.
Dr. Philip Weigel, Director Product Management Power Products, Meters, Sources and Audio Analysers, la Rohde & Schwarz, explică: “Pentru inginerii de testare care analizează curba I-V a unei diode, trebuie să pornească de la tensiuni și curenți negativi, trecând prin zero, urcând la tensiuni și curenți pozitivi pentru a analiza curba I-V.” Această abilitate de baleiere între I și V permite testarea dispozitivelor în condiții variate, cu o gamă de caracteristici de sursă, întârziere și măsurare.
Primul instrument de testare integrat
Combinarea rolurilor unui multimetru digital (DMM), a unei surse de putere, a unei surse de curent real, a unei sarcini electronice și a unui generator de impulsuri într-un singur instrument poate economisi până la 44% din costul de achiziționare a unor instrumente de testare separate [1]. În plus, o singură unitate SMU poate economisi până la 75% din spațiul de lucru și poate reduce numărul de cabluri și de fire de testare cu până la 60%, potrivit Keithley Instruments.
Un SMU poate fi utilizat într-un mediu mai avansat și asigură corelarea tuturor măsurătorilor. Bradley Odhner, Technical Marketing Manager, Tektronix și Keithley Instruments, a comentat: “Oamenii încearcă să obțină cel mai bun raport calitate/preț de la echipamente. SMU-urile sunt excelente pentru companiile care doresc ca un singur instrument să facă o mulțime de lucruri foarte complexe. Acest lucru este cu atât mai critic cu cât dispozitivele devin din ce în ce mai miniaturizate.”
În prezent, SMU-urile continuă să evolueze, unele modele adăugând funcții de bază ale osciloscopului. Totuși, acest tip de abordare inovatoare nu a fost întotdeauna ușor de realizat, producătorii de instrumente de testare fiind adesea limitați de cererea de a fabrica linii de produse mai tradiționale. Cu toate acestea, companiile își adaptează abordarea pentru a crea soluții de testare foarte integrate, potrivit lui Mike Hoffman, manager de produs la Keysight Technologies. “Înainte, aveam o divizie de osciloscoape, o divizie de surse de alimentare și o divizie de analizoare de rețea, toate acestea funcționând independent. Deși acest lucru a favorizat inovația, nu a fost propice pentru îmbunătățirea integrării între diferitele echipamente”, a spus el. “Acum suntem mult mai bine plasați pentru a dezvolta echipamente integrate care să reflecte mediul de lucru integrat din care provin”.
Eficiența energetică: impulsionarea unui rol mai important pentru unitățile SMU
SMU-urile pot fi utilizate într-o mare varietate de aplicații. Deși sunt adesea considerate instrumente de caracterizare a componentelor, accentul pus astăzi pe îmbunătățirea eficienței energetice și a tehnologiei bateriilor a sporit rolul SMU. Acestea sunt acum utilizate în mod obișnuit în testarea bateriilor și destul de des pentru dispozitivele IoT.
Impulsul către o mai mare eficiență energetică determină o nevoie și mai mare de capabilități de măsurare de precizie. Măsurarea precisă a consumului de putere reprezintă o provocare majoră pentru ingineri, în special atunci când se măsoară valori foarte mici. Acesta poate fi cazul dispozitivelor IoT, care pot trece frecvent de la o stare la alta. Asigurarea că bateriile își ating durata maximă de viață este deosebit de provocatoare în aceste aplicații, deoarece dispozitivul IoT are stări de transmisie, inactivitate, somn și somn profund. Aceasta este o adevărată provocare în cercetare și dezvoltare, deoarece dezvoltatorii doresc ca un dispozitiv să transmită și să reacționeze la solicitarea consumatorului. Totuși, ei doresc, de asemenea, ca dispozitivul să intre în starea de somn profund cât mai repede posibil pentru a oferi o durată de viață mai lungă a bateriei.
Optimizarea duratei de viață a bateriei necesită instrumente cu o gamă de măsurare a curentului de la sute de nanoamperi până la amperi, abilitatea de a capta pulsuri de curent cu o lățime de doar câteva microsecunde și o memorie mare pentru a stoca profilul de curent al dispozitivului prototip. Unitățile SMU pot livra măsuratori precise care să permită optimizarea duratei de viață a bateriei. O altă prioritate este crearea unui model pentru bateria care alimentează dispozitivul IoT. Un script de generare a modelului de baterie poate opera SMU ca o sarcină de curent controlată și poate extrage parametrii modelului.
“O unitate SMU poate, de asemenea, să simuleze diferite tipuri de baterii. De exemplu, un dezvoltator poate avea un nou proiect al unui dispozitiv IoT și vrea să decidă dacă bateriile cu nichel-cadmiu sunt potrivite. De asemenea, s-ar putea să se gândească la scenarii de utilizare. De exemplu, în cazul în care consumatorul utilizează dispozitivul în timp ce schiază, cum s-ar comporta dispozitivul în condiții de temperaturi foarte scăzute? Cu mai multe unități SMU, puteți încărca un model de baterie, iar unitatea SMU va simula tensiunea și impedanța bateriei în diferitele sale stări de încărcare”, a declarat Dr. Weigell.
Un exemplu al acestei aplicații de testare este unitatea SMU 2450 SourceMeter de la Keithley Instruments, care poate fi programată să descarce o baterie și să creeze un model al bateriei pentru a fi utilizat în simulatorul de baterii 2281S-20-6 al companiei. Modelul constă atât din valoarea tensiunii în circuit deschis, cât și din rezistența internă în funcție de starea de încărcare a bateriei. Simulatorul emulează bateria reală folosind modelul de baterie. Acesta poate fi apoi utilizat pentru a testa un produs în condiții reale și repetabile, determinând modul în care produsul se comportă atunci când este alimentat de o baterie în diferite condiții de descărcare.
Precizia oferită de unitățile SMU permite și alte aplicații. Dr. Weigell a comentat: “Deși semiconductorii reprezintă cel mai natural domeniu de aplicare pentru SMU, alte două domenii majore sunt electronica de precizie și cercetarea și educația.”De exemplu, un SMU este un instrument de măsurare neprețuit pentru cercetătorii care se ocupă de tehnologiile cuantice sau de cercetarea noilor materiale, deoarece poate măsura curenți foarte mici cu o precizie foarte mare.
Testarea LED-urilor și bateriilor
Caracterizarea componentelor este o utilizare foarte frecventă a SMU-urilor. În prezent, unitățile SMU sunt utilizate pe scară largă pentru a garanta că LED-urile sunt comandate în mod optim. O prioritate este curba I-V. Deoarece LED-urile trebuie să treacă de la tensiuni și curenți negativi la pozitivi, sunt necesare patru cvadrate, ceea ce necesită un SMU. Un alt domeniu de investigare este momentul în care LED-ul începe și se oprește să emită lumină. Un instrument va măsura emisia de lumină a diodei și va fi corelată cu măsurătorile proprii ale SMU.
Un alt aspect important este reprezentat de depășirile de curent. O sursă de alimentare normală se va regla funcție de tensiune. Dacă este setată la cinci volți, va încerca să nu depășească tensiunea, dar nu va acorda prea multă atenție la ceea ce se întâmplă în cazul curentului. Multe SMU-uri au o funcție de prioritate a curentului în care sursa de alimentare sau SMU-ul va regla curentul și va evita posibilele deteriorări ale LED-ului.
SMU-uri pentru toate aplicațiile
Cei mai mulți dintre principalii furnizori de instrumente de testare oferă acum SMU-uri care se potrivesc diferitelor cerințe și bugete. Modelul de ultimă generație NGU401 de la Rohde and Schwarz oferă șase intervale de măsurare pentru curent și o rezoluție de până la 6,5 cifre atunci când se măsoară tensiunea, curentul și puterea. Aparatul este proiectat pentru caracterizarea dispozitivelor care funcționează de la un consum de putere extrem de scăzut până la curenți mari, în gama amperilor.
Seria 2634b de SMU-uri de la Keithley Instruments dispune de un software integrat de caracterizare și testare I-V bazat pe Java, de tip plug-and-play, în timp ce seria 2461 este optimizată pentru caracterizarea și testarea materialelor, dispozitivelor și modulelor de mare putere, cum ar fi SiC, GaN, convertoare DC-DC, MOSFET-uri de putere și celule solare.
Seriile B2900B și B2900BL de SMU-uri de precizie de la Keysight au o tensiune maximă de ±210 V, un curent maxim de ± 3 A DC și capabilități de alimentare în impulsuri de ±10,5 A. Cu o precizie minimă de 10 fA / 100 nV la nivel de sursă și rezoluție de măsurare, seriile B2900B și B2900BL pot efectua măsurători ‘low-level’ care anterior erau posibile doar cu ajutorul unui analizor de dispozitive semiconductoare mult mai scump. Interfața grafică cu utilizatorul (GUI) cu ecran LCD color de pe panoul frontal, ușor de utilizat, dispune de mai multe moduri de vizualizare bazate pe activități, permițând utilizatorilor să efectueze rapid măsurători și să afișeze date. SMU din seria B2900B / BL suportă, de asemenea, comenzile convenționale SMU SCPI pentru o migrare ușoară a codului de testare și poate efectua măsurători de la distanță cu ajutorul unui software de control de pe PC. Aceste caracteristici îmbunătățesc eficiența și reduc costul de proprietate atunci când se integrează unitățile SMU în sistemele pentru testare în producție.
Odată cu dezvoltarea unui dispozitiv care combină cele mai bune caracteristici ale unui DMM și ale unei surse de alimentare, SMU-urile oferă dezvoltatorilor de componente și produse electronice un instrument puternic care nu numai că este rentabil, dar este mult mai util și mai compact decât cele două instrumente separate.
Referințe:
[1] https://www.element14.com/community/docs/DOC-90427/l/source-measure-unit-value-proposition-storypdf
Autor:
Cliff Ortmeyer, Director Global de Marketing Tehnic, Farnell
https://ro.farnell.com