SMU (Source Measurement Unit) to nowoczesny przyrząd laboratoryjny stanowiący odmianę prądowo/napięciowego zasilacza arbitralnego. Cechami wyróżniającymi opisany w artykule SMU Yokogawy – GS610 – są precyzja i szeroki zakres napięć i prądów wyjściowych oraz dokładność pomiarów.
Jedną z ważniejszych cech opisanego w artykule SMU GS610 jest możliwość pracy w każdej z czterech ćwiartek układu współrzędnych prąd-napięcie. Przyrząd ten może więc pełnić funkcję źródła napięciowego i prądowego oraz pracować jako sztuczne obciążenie. Oznacza to, że obwody wyjściowe SMU są przystosowane do przyjmowania prądu ze źródła zewnętrznego. W tym przypadku SMU pracuje więc jako regulowane obciążenie aktywne, niezwykle przydatne przy badaniu różnego rodzaju urządzeń elektrycznych i elektronicznych. Producent urządzenia – Yokogawa – jest gwarantem wyrobów najwyższej jakości, charakteryzujących się wieloma unikatowymi cechami.
Przykładowe zastosowania SMU
- wyznaczanie charakterystyk i pomiary parametrów elementów półprzewodnikowych (tranzystorów, diod itp.),
- precyzyjny zasilacz laboratoryjny do testowania urządzeń stacjonarnych i mobilnych,
- generator prądu impulsowego sterującego półprzewodnikowymi źródłami światła – diodami LED, organicznymi wyświetlaczami elektroluminescencyjnymi (organic EL),
- testowanie akumulatorów (ładowanie i rozładowywanie), wyznaczanie charakterystyk rozładowywania,
- badanie efektywności pracy przetwornic DC-DC,
- selekcja Pass/Fail rezystorów, termistorów, warystorów itp.
Cechą wyróżniająca SMU GS610 jest bardzo duża dokładność pomiarów nie gorsza niż 0,02%, duża szybkość pracy (100 ms/punkt) oraz stosunkowa duża moc zarówno przyjmowana, jak i wytwarzana. Zakres pracy SMU jest wyznaczony obszarem przedstawionym na rysunku 1. Jak widać, przewidziano 4 przedziały napięciowe, dla których obowiązują odpowiednie ograniczenia prądowe. Zasilacz wytwarza napięcia od 200 mV do 110 V i jest źródłem prądu z zakresu 20 mA…3,2 A.
Tryby pracy
Jak już wiemy przyrząd SMU jest niezastąpiony w wielu specjalistycznych pomiarach. Przyczyniają się do tego różne tryby pracy, wybierane przez użytkownika przyciskiem MODE znajdującym się na panelu czołowym w sekcji SOURCE. W czasie pracy SMU, na dwusekcyjnym wyświetlaczu jest podawana informacja o ustawionych wartościach napięcia lub prądu, ale parametry te są też mierzone. Ich rzeczywiste wartości są wyświetlane na drugiej sekcji wyświetlacza. SMU może pracować w trybach:
- źródło napięciowe/pomiar prądu (VS/IM),
- źródło napięciowe/pomiar napięcia (VS/VM),
- źródło prądowe/pomiar napięcia (IS/VM),
- źródło prądowe/pomiar prądu (IS/IM),
- źródło napięciowe (VS),
- źródło prądowe (IS),
- pomiar rezystancji (VS/IM lub (S/VM).
W pomiarach są wykorzystywane połączenia 2-przewodowe i 4-przewodowe. Konfiguracja 4-przewodowa eliminuje błędy pomiaru napięcia na obciążeniu wynikające ze spadków napięć na kablach zasilających.
SMU nie jest zwykłym źródłem napięciowym i prądowym. W przyrządzie tym są dostępne tryby pracy, w których zmiany obu wielkości mogą być programowane przez użytkownika. Dzięki temu możliwa jest symulacja różnych zjawisk poddawanych badaniom. Można więc wyróżnić dwa główne tryby pracy zawierające dodatkowe opcje.
DC output mode. Jak wynika z nazwy, SMU wytwarza w tym trybie ciągłe napięcie (prąd), którego wartość jest stała (Continuous) lub automatycznie regulowana liniowo, logarytmicznie lub według zależności użytkownika (Linear sweep, Log sweep, Program Sweep). Przykładowe przebiegi napięcia na wyjściu SMU przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Przebiegi na wyjściu SMU GS610 w trybie DC output
Pulse Output mode. Jest to tryb analogiczny do DC output, z tym że przebieg jest dodatkowo modulowany falą prostokątną (rysunek 3).
Rys. 3. Przebiegi na wyjściu SMU GS610 w trybie Pulse output
W trakcie aktywnej pracy SMU wykonuje cyklicznie ciąg pewnych operacji. Są to m.in.: odświeżanie stanu wyjścia, generowanie opóźnienia między modyfikacją wyjścia a pomiarem parametru wyjściowego, pomiar wykonywany w oknie czasowym ustalonym przez przyjęty czas całkowania, obliczenia matematyczne itd. Są one inicjowane przebiegiem wyzwalającym generowanym wewnętrznie lub przekazywanym z zewnątrz przez gniazdo wyzwalające. Cykl pracy przedstawiono na rysunku 4. Poszczególne parametry (czasy) są ustawiane przez użytkownika i zapamiętywane w plikach setup zapisywanych w pamięci przyrządu.
Rys. 4. Cykl pracy SMU
Generowanie zera
Wytworzenie zerowego przebiegu (napięciowego i prądowego) to wbrew pozorom istotna funkcja, spotykana nie we wszystkich zasilaczach laboratoryjnych. Jest ona aktywowana po naciśnięciu przycisku ZERO. Oczywiście działanie takiego przycisku można sobie wyobrazić jako odłączenie zacisków wyjściowych od źródła napięcia (prądu) i połączenie ich „na krótko” z masą układu. Zmieniłoby to jednak warunki połączenia elektrycznego, co nie zawsze jest wskazane. W SMU GS610 badany układ pozostaje dołączony do źródła zasilającego, ale na jego wyjściu pojawia się zerowe napięcie (prąd). Niezależnie od funkcji ZERO można korzystać z przycisku OUTPUT odłączającego fizycznie obciążenie od źródła.
Zero w ogólnym przypadku jest jednak pojęciem względnym. Oznacza to, że użytkownik może zdefiniować własną wartość napięcia lub prądu, która będzie traktowana jako wartość zerowa. Tak zdefiniowany stan (napięcie lub prąd) będzie występował zawsze po naciśnięciu przycisku ZERO. Ponadto istnieje możliwość wybrania impedancji wewnętrznej źródła – Low lub High.
GS610 jako dysk USB
Po dołączeniu SMU do komputera kablem USB, pamięć wewnętrzna GS610 staje się widoczna jako dysk USB. Jest to funkcja znakomicie ułatwiająca pracę użytkownikom, umożliwiając archiwizację wyników badań, zapamiętywanie nastaw i ewentualne przenoszenie ich na inne urządzenia GS610. W prosty sposób mogą też być generowane dowolne przebiegi użytkownika. Jedynym warunkiem jest zapisanie ich w formacie .CSV. Na rysunku 5 przedstawiono zrzut ekranu z programu Excel, w którym zdefiniowano pewien przebieg zapisany następnie w pamięci SMU i wygenerowano jako napięcie wyjściowe. Końcowy efekt w postaci oscylogramu przedstawiono na rysunku 5b. Widoczny na rysunku 5a wykres nie jest zapisywany w pliku CSV, przedstawiono go dla lepszego porównania wyników.
Rys. 5. Przykładowy przebieg wyjściowy SMU: a) dane zapisane w pliku CSV, b) oscylogram wygenerowanego przebiegu
Na podobnej zasadzie mogą być tworzone specyficzne funkcje obliczeniowe. Użytkownik definiuje je samodzielnie przez wpisanie odpowiedniej formuły matematycznej w dowolnym edytorze tekstowym, na przykład w notepadzie systemu Windows. Obliczenia takie znacznie rozszerzają możliwości bezpośredniej analizy wyników dokonywanej bezpośrednio przez SMU. Przykłady zastosowań obliczeń matematycznych to: regresja liniowa, obliczanie mocy pobieranej z SMU, generowanie przebiegów opisanych matematycznie bez konieczności tworzenia plików CSV. Formuły definiujące obliczenia są zapisywane w formacie tekstowym jako skrypty. Przykład takiego skryptu przedstawiono na rysunku 6.
Rys. 6. Przykładowy skrypt generujący przebieg sinusoidalny
