SMU Keithley 2461

fota_tyt1

Podczas badania urządzeń, podzespołów i elementów elektronicznych często zachodzi konieczność stosowania sygnałów testowych o dużej mocy i złożonym kształcie. Nie mniej ważny jest jednoczesny bardzo dokładny pomiar takich wielkości elektrycznych jak napięcie, prąd, moc oraz rezystancja. W badaniach tego typu wykorzystywane są zwykle zasilacze laboratoryjne lub arbitralne i mierniki wymienionych wielkości elektrycznych. Coraz częściej sięgamy jednak po będące poniekąd ich odmianą przyrządy SMU (Source Measurement Unit). W artykule opisano urządzenie Keithley 2461.

doart_tespol

W powszechnym użytku coraz częściej pojawiają się nowe urządzenia i podzespoły dużej mocy, np. ogniwa słoneczne, różnego typu ogniwa elektrochemiczne, turbiny wiatrowe, sterowniki oświetlenia LED, przetwornice napięciowe, chipsety zarządzania mocą oraz urządzenia z nowoczesnymi elementami półprzewodnikowymi dużej mocy, takimi jak tranzystory IGBT, Power MOSFET, tyrystory, diody HBLED, itd. Specjaliści zajmujący się badaniami tego rodzaju  urządzeń i elementów rezygnują z klasycznych metod pomiarowych, zastępując kilka przyrządów jednym – SMU. Wśród producentów aparatury pomiarowej mających w ofercie tego rodzaju produkty jest firma Keithley. Po sukcesach pierwszych urządzeń SMU z nowej serii (model 2450 i 2460) coraz większe uznanie zdobywa najnowsze źródło mierzące – SMU 2461. Urządzenia Source Measurement Unit łączą w sobie cechy zarówno źródła sygnału, jak i bardzo dokładnego miernika, a właściwie kilku mierników. Wykorzystują nowoczesne podzespoły elektroniczne i elektromechaniczne, a także dysponują sporą mocą obliczeniową. W SMU 2461 zastosowano na przykład dwa 32-bitowe procesory MPC5125 wspierane przez układ FPGA rodziny SPARTAN-6. Na świecie jest zaledwie kilka firm produkujących urządzenia tego typu.

Konstruktorzy firmy Keithley postawili na wysoką dokładność pomiarów oraz jak najwyższą jakość wyrobu.

Jednym z elementów decydujących o wygodzie obsługi SMU jest dotykowy kolorowy wyświetlacz graficzny z przyciskami w postaci  ikon oraz niezależny panel manualny, co oprócz możliwości graficznej prezentacji generowanych przez źródło sygnałów –  znacznie usprawniło obsługę. Wyeliminowano na przykład znane z innych wyrobów wielopoziomowe menu, w którym użytkownik łatwo mógł się pogubić. W oknie „domowym” (rys. 1) od razu są widoczne wszystkie opcje dla poszczególnych poleceń – wybór źródła, pomiary, wizualizacja wyników, wyzwalanie, skrypty, ustawienia systemowe. Są one szybko wybierane naciśnięciem wybranej ikonki. Każda z nich pełni funkcję przycisku ekranowego (soft-key).

Rys. 1. Okno wyboru trybów pracy i opcji pomiarowych
Rys. 1. Okno wyboru trybów pracy i opcji pomiarowych

Użytkownicy sprzętu elektronicznego są zwykle przekonywani do dokładnego przeczytania instrukcji obsługi jeszcze przed pierwszym włączeniem urządzenia. Nie inaczej jest i w tym przypadku, z tym że dostępna pod przyciskiem Help kontekstowa pomoc może w dużym stopniu wyjaśnić szereg wątpliwości pojawiających się w czasie wykonywania pomiarów. Do przyrządu dołączone są dwie skrócone instrukcje, pełną instrukcję można pobrać ze strony producenta lub odtworzyć z płyty załączonej do sprzętu. Jedna ze skróconych instrukcji dotyczy samego przyrządu, druga – oprogramowania sterującego.

Najważniejsze parametry SMU 2461

Omówienie przyrządu SMU 2461 należy rozpocząć od podania jego najważniejszych parametrów technicznych, a są one naprawdę imponujące. Zebrano je w tab. 1. Na rys. 2 przedstawiono natomiast zakresy pracy wejść/wyjść napięciowych i prądowych. Jak widać, urządzenie pracuje w każdej z czterech ćwiartek układu prąd-napięcie, co oznacza, że gniazda sygnałowe mogą pełnić funkcję wejść lub wyjść tak napięciowych, jak i prądowych. SMU 2461 może więc pełnić rolę sztucznego obciążenia podczas testowania urządzeń o charakterze źródła napięciowego lub prądowego, ale równie dobrze może w sposób kontrolowany zasilać wszelkiego rodzaju odbiorniki energii elektrycznej.

Rys. 2. Obszary pracy SMU Keithley 2461
Rys. 2. Obszary pracy SMU Keithley 2461

Tab. 1. Najważniejsze parametry techniczne SMU 2461

Moc DC
Napięcie Prąd
Maksymalna moc wyjściowa Max 105 W DC. 1050 W impulsowo

  • ±105 V (1 A; 10 A w impulsie)
  • praca jako źródło lub odbiornik w czterech ćwiartkach układu prądowo-napięciowego
Max 105 W DC. 1050 W impulsowo

  • ±1,05 A, ±10,5 A w impulsie) (100 V; 10 A
  • praca jako źródło lub odbiornik w czterech ćwiartkach układu prądowo-napięciowego
Zakresy maksymalnych napięć i prądów DC 105 V 1,05 A
21 V 4,2 A
10,5 V 5,25 A
7,35 V 7,35 A
Specyfikacja napięciowa
Źródło Pomiar
Zakres Rozdzielczość Dokładność Rozdzielczość Dokładność
200,0000 mV 5 mV 0,015%+200 mV 100 nV 0,012%+200 mV
2,00000 V 50 mV 0,015%+300 mV 1 mV 0,012%+300 mV
7,000000 V 250 mV 0,015%+2,4 mV 1 mV 0,012%+1 mV
10,00000 V 250 mV 0,015%+2,4 mV 10 mV 0,012%+1 mV
20,00000 V 500 mV 0,015%+2,4 mV 10 mV 0,012%+1 mV
100,0000 V 2,5 mV 0,015%+15 mV 100 mV 0,012%+5 mV
Specyfikacja prądowa
Źródło Pomiar
Zakres Rozdzielczość Dokładność Rozdzielczość Dokładność
1,000000 mA 50 pA 0,025%+1 nA 1 pA 0,025%+700 pA
10,00000 mA 500 pA 0,025%+1,5 nA 10 pA 0,025%+1 nA
100,0000 mA 5 nA 0,020%+15 nA 100 pA 0,020%+10 nA
1,000000 mA 50 nA 0,020%+150 nA 1 nA 0,020%+100 nA
10,00000 mA 500 nA 0,020%+1,5 mA 10 nA 0,020%+1 mA
100,0000 mA 5 mA 0,020%+15 mA 100 nA 0,020%+10 mA
1,000000 A 50 mA 0,50%+750 mA 1 mA 0,050%+500 mA
4,000000 A 250 mA 0,100%+3 mA 1 mA 0,100%+2,5 mA
5,000000 A 250 mA 0,100%+3 mA 1 mA 0,100%+2,5 mA
7,000000 A 500 mA 0,150%+6 mA 1 mA 0,150%+5 mA
10,00000 A 500 mA 0,150%+6 mA 10 mA 0,150%+5 mA
Charakterystyka digitizera
Rozdzielczość maksymalna 18 bitów
Dostępne funkcje pomiarowe Napięcie, prąd, napięcie i prąd, rezystancja, moc
Szybkość próbkowania Programowana od 1000 do 1000000 Sa/s
Pamięć ulotna dla znaczników czasowych 27500000
Minimalna długość rekordu 1 ms
Rozdzielczość znaczników czasowych 1 ns dla standardowego bufora

1 ms dla bufora spakowanego

Maksymalna długość rekordu 5000000
Wybór zakresu Wymagany zakres stały dla pomiarów digitizerem
Czas ustalania pomiarów Zależny od zakresu i obciążenia, dokładność ograniczona przez ustawienie czasu dla zakresu prądowego 10 mA lub niższego
Typowe parametry impulsowe
Zakres wyjścia Ograniczenie Obciążenie Czas narastania (10…90%) Czas ustalania

(1% zakresu)

100 V 10,5 A 10 W 300 ms 520 ms
100 V 1,05 A 200 W 180 ms 320 ms
20 V 10 A 2 W 150 ms 340 ms
10 A 105 V 10 W 300 ms 700 ms
7 A 7,35 V 1 W 120 ms 360 ms
5 A 10,5 V 2 W 110 ms 280 ms
Inne
Programowanie SCPI + skrypty TSP
Interfejsy GPIB, USB 2.0 Full Speed, Ethernet (LXI)
Minimalna programowalna szerokość impulsu 150 ms – czas ustalania pomiaru może być dłuższy od 150 ms
Maksymalny rozszerzony zakres szerokości impulsu 2,5 ms dla zakresu 7 A lub niższego, 1 ms dla zakresu 10 A
Maksymalna szerokość impulsu DC 10000 s
Jitter szerokości impulsu <(50 ms + 10% szerokości impulsu)
Maksymalny współczynnik wypełnienia 10% dla zakresu 20 V i niższego, 5% dla zakresu 100 V
Wyświetlacz 5-calowy z panelem dotykowym

O autorze

Jarosław Doliński
Jarosław Doliński jest absolwentem Wydziału Elektroniki na Politechnice Warszawskiej. Pracował w Przemysłowymi Instytucie Telekomunikacji oraz Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, gdzie zajmował się konstruowaniem urządzeń transmisji danych. Współpracował z Zakładem Urządzeń Teatralnych m.in. w zakresie konstrukcji interkomów teatralnych i urządzeń dla inspicjentów. Brał także udział w pracach projektowych rejestratorów urządzeń wiertniczych i elektroniki montowanej na żurawiach mobilnych. Obecnie prowadzi firmę zajmująca się konstruowaniem i produkcją urządzeń elektronicznych dla rehabilitacji i wspomagania treningu sportowego. Jest autorem czterech książek poświęconych elektronice i mikrokontrolerom, współpracuje ponadto z miesięcznikami „Elektronika Praktyczna”, „Elektronik” oraz „Świat Radio”.