Mikrokontroler.pl – portal dla elektroników » Programowalne źródło prądu i napięcia (SMU) Yokogawa GS610

27.06.2013

Programowalne źródło prądu i napięcia (SMU) Yokogawa GS610

Pomiary

Na dwusekcyjnym wyświetlaczu przyrządu wyświetlane są informacje o aktualnych nastawach oraz o rzeczywistych napięciach i prądach występujących na zaciskach SMU. Należy jednak pamiętać, że dla dużych obciążeń (dużych prądów pobieranych z SMU) pomiar napięcia bezpośrednio na obciążeniu w konfiguracji 2-przewodowej może być obarczony sporym błędem spowodowanym dużymi spadkami napięć na przewodach zasilających. W takich przypadkach zalecane jest połączenie 4-przewodowe. Mierzony parametr jest wybierany przyciskiem V/I/W, a wynik pojawia się na górnym polu wyświetlacza. Na podstawie opisu przycisku wybierającego wielkość mierzoną można wnioskować, że mierzone jest tylko napięcie, natężenie prądu i rezystancja obciążenia. Są to wielkości standardowe, ale korzystając ze skryptów można zdefiniować niemal dowolny parametr, który po obliczeniu będzie wyświetlany tak jak standardowy. Jednym z częściej ustawianych parametrów jest moc pobierana przez odbiornik.

SMU, jak by go nie nazywać, jest jednak zasilaczem pracującym jako źródło napięciowe lub prądowe. Rodzaj wyjścia jest wybierany przyciskiem VS/IS. Podstawowy parametr – napięcie dla trybu VS i prąd dla trybu IS – jest regulowany pokrętłem znajdującym się na płycie czołowej, lub jest precyzyjnie zadawany klawiaturą numeryczną. Zmieniając napięcie w konfiguracji źródła napięciowego powodujemy zmiany prądu w obwodzie wynikające z prawa Ohma. Analogicznie jest w konfiguracji źródła prądowego, przy czym w tym przypadku regulacji podlega natężenie prądu a napięcie zmienia się odpowiednio do rezystancji obciążenia. Odbiornik dołączony do SMU prawie zawsze powinien być zabezpieczony przed przekroczeniem napięcia lub prądu. Zawsze przed przystąpieniem do pomiarów warto więc wprowadzać odpowiednie ograniczenia. Jest to możliwe po wybraniu funkcji LIMIT. W ten sposób można ustawić ograniczenie dla napięcia oraz prądu.

W SMU GS610 dostępna jest też inna, podobna funkcja, która nie powoduje jednak żadnej akcji poza wyświetleniem stosownego komunikatu. Jest to COMPARE. Ma ona dwa parametry: Upper i Lower. Funkcja COMPARE wyświetla komunikaty określające relację między nieregulowanym parametrem (prądem dla źródła napięciowego i napięciem dla źródła prądowego) a wartościami Lower i Upper określonymi przez użytkownika. Jeśli parametr ten jest niższy od wartości Lower, pojawia się komunikat „Low”, jeśli zawiera się pomiędzy wartościami Lower i Upper – komunikat „In”, jeśli natomiast przekracza wartość Upper wyświetlany jest komunikat „High”.

Urządzenia GS610 mogą pracować w systemach wieloprzyrządowych. Wzajemna synchronizacja jest realizowana poprzez wyjścia „Trig Out” i „Trig In”. W takiej konfiguracji jeden z przyrządów pełni funkcję Master, pozostałe zaś są ustawione jako Slave, co umożliwia pracę nawet w trybie Sweep. Warianty stanowisk wieloprzyrządowych przedstawiono na rysunku 7. Liczba przyrządów Slave połączonych w konfiguracji równoległej (rysunek 7a) jest ograniczona do 4. Limitu takiego nie ma w konfiguracji szeregowej (rysunek 7b), ale wówczas trzeba uwzględniać opóźnienie wprowadzane przez każde SMU. Dodatkowe możliwości sterowania przyrządami stwarza dołączenie ich np. do sieci LAN kablem ethernetowym lub połączenie via GPIB. W instrukcji SMU GS610 zawarto listę poleceń sterujących, które są niezbędne przy pisaniu skryptów sterujących.

Rys. 7. Warianty stanowisk wieloprzyrządowych: a) konfiguracja równoległa, b) konfiguracja szeregowa

Rys. 7. Warianty stanowisk wieloprzyrządowych: a) konfiguracja równoległa, b) konfiguracja szeregowa

Przykłady zastosowań SMU GS610

Przyrządy GS610 znajdą zastosowanie w każdym laboratorium pomiarowym, niezależnie od dziedziny prowadzonych w nim badań. Dla zobrazowania jak różnorodne są możliwości tego urządzenia zostaną przedstawione przykładowe zastosowania.

GS610 jako charakterograf. Dysponując dwoma urządzeniami GS610 można zestawić stanowisko do zdejmowania charakterystyk elementów półprzewodnikowych, na przykład tranzystorów, diod itp. W takich pomiarach wykorzystywana jest zdolność zapisywania wyników pomiarów w pamięci SMU. Przykładowe stanowisko pomiarowe przedstawiono na rysunku 8.

Rys. 8. Stanowisko pomiarowe do zdejmowania charakterystyk tranzystorów bipolarnych

GS610 jako symulator ładowarki/rozładowarki akumulatorów LiIon lub Nickel-Hydride

Jak wiadomo, żywotność akumulatorów w znacznym stopniu zależy od algorytmów zastosowanych do ich ładowania. Dostępne w handlu ładowarki mają zaimplementowane algorytmy szybkiego ładowania prądami nawet 5C. Zadanie takie można zrealizować wykorzystując odpowiednio zaprogramowany przyrząd GS610. W pierwszej fazie akumulator jest ładowany stałym prądem. Po osiągnięciu określonego napięcia na akumulatorze, SMU jest przełączane w tryb stabilizacji napięcia, co powoduje radykalne zmniejszenie prądu ładowania. Prąd ten dalej maleje, a po osiągnięciu określonego natężenia proces ładowania zostaje zakończony. Realizacja takiego algorytmu jest możliwa dzięki funkcji Auto V/I, która automatycznie przełącza tryby pracy. Możliwość pracy SMU w charakterze sztucznego obciążenia jest natomiast przydatna do realizacji funkcji rozładowarki. Przykładowe przebiegi ładowania i rozładowywania akumulatorów przedstawiono na rysunku 9.

Rys. 9. Przykładowe przebiegi ładowania i rozładowywania akumulatorów

Rys. 9. Przykładowe przebiegi ładowania i rozładowywania akumulatorów

Badanie parametrów wyświetlaczy Organic EL

Do takiego pomiaru niezbędny jest miernik luminancji, np. 3298F i komputer analizujący dane. Stanowisko jest montowane zgodnie ze schematem poglądowym przedstawionym na rysunku 10.

Rys. 10. Stanowisko do badania luminancji diod LED i Organic EL

Dane techniczne GS610

W tabeli 1 zestawiono najważniejsze dane techniczne SMU GS610. Należy zwrócić uwagę na bardzo dużą precyzję nastawiania i pomiarów wszystkich parametrów. Yokogawa jest jednym z niewielu producentów, którzy mogą zagwarantować podobne parametry urządzeń. Cechy funkcjonalne SMU kwalifikują je do przyrządów najwyższej jakości.

Tab. 1. Najważniejsze dane techniczne SMU GS610

Sekcja napięcia DC
Zakres	Zakres wytwarzania	Rozdzielczość			Max prąd obciążenia	Dokładność ±(%nastawy+V+V*lo/f.s ogranicznika zakresu)		Współczynnik temperaturowy ±(%nastawy+V+V*lo/f.s zakresu ogranicznika)/ ^o C
200 mV	±205,000 mV	1 µV			±3,2 A	0,02 + 200 µV + 80 µV (400 µV)		0,002 + 20 µV + 8 µV (40 µV)
2 V	±2,05000 V	10 µV			±3,2 A	0,02 + 300 µV + 100 µV (500 µV)		0,002 + 30 µV + 10 µV (50 µV)
12 V	±12,0000 V	100 µV			±3,2 A	0,02 + 2 mV + 800 µV (3 mV)		0,002 + 200 mV + 80 µV (300 µV)
20 V	±20,5000 V	100 µV			±2 A	0,02 + 2 mV + 800 µV (5 mV)		0,002 + 200 mV + 80 µV (500 µV)
30 V	±30,000 V	1 mV			±2 A	0,02 + 20 mV + 5 mV (30 mV)		0,002 + 2 mV + 500 µV (3 mV)
60 V	±60,000 V	1 mV			±1 A	0,02 + 20 mV + 6 mV (40 mV)		0,002 + 2 mV + 600 µV (4 mV)
110 V	±110,000 V	1 mV			±0,5 A	0,02 + 20 mV + 8 mV (70 mV)		0,002+ 2 mV + 800 µV (7 mV)
Sekcja prądu DC
Zakres	Zakres wytwarzania	Rozdzielczość			Max napięcie na obciążeniu	Dokładność ±(%nastawy+A)		Współczynnik temperaturowy ±(%nastawy+A/ ^oC
20 µA	±20,5000 µA	100 pA			±110 V	0,03 + 50 nA		0,003 + 5 nA
200 µA	±205,000 µA	1 nA			±110 V	0,03 + 300 nA		0,003 + 30 nA
2 mA	±2,05000 mA	10 nA			±110 V	0,03 + 3 µA		0,003 + 300 nA
20 mA	±20,5000 mA	100 nA			±110 V	0,03 + 30 µA		0,003 + 3 µA
200 mA	±205,000 mA	1 µA			±110 V	0,03 + 300 µA		0,003 + 30 µA
0,5 A	±0,50000 A	10 µA			±110 V	0,03 + 5 mA		0,003 + 500 µA
1 A	±1,00000 A	10 µA			±60 V	0,03 + 5 mA		0,003 + 500 µA
2 A	±2,00000 A	10 µA			±30 V	0,03 + 5 mA		0,003 + 500 µA
3 A	±3,20000 A	10 µA			±12 V	0,03 + 5 mA		0,003 + 500 µA
Ogranicznik prądu
Nastawa				Zakres			Rozdzielczość			Min. nastawa
0,10 µA…20,000 µA				20 µA			110 nA			10 nA
20,1 µA…200,0 µA				200 µA			110 nA			100 nA
0,201 mA…2,000 mA				2 mA			1 µA			1 µA
2,01 mA…20,00 mA				20 mA			10 µA			10 µA
20,1 mA…200,0 mA				200 mA			100 µA			100 µA
0,201 A…3,2 A				3,2 A			1 mA			1 mA
Ogranicznik napięcia
Nastawa				Zakres			Rozdzielczość			Min. nastawa
1,0 mV…200,0 mV				200 mV			100 µV			100 µV
0,201 V…2,000 V				2 V			1 mV			1 mV
2,01 V…20,00 V				20 V			10 mV			10 mV
20,1 V…110,0 V				110 V			100 mV			100 mV
Pomiar napięcia – czas całkowania 16,6 ms/20 ms, 100 ms, 200 ms
Zakres	Zakres pomiarowy			Rozdzielczość			Dokładność ±(%odczytu+V)		Współczynnik temperaturowy ±(%odczytu+V)/ ^oC
200 mV	±205,000 mV			1 µV			0,02 + 100 µV		0,002 + 10 µV
2 V	±2,05000 V			10 µV			0,02 + 200 µV		0,002 + 20 µV
20 V	±20,5000 V			100 µV			0,02 + 1 mV		0,002 + 100 µV
110 V	±110,000 V			1 mV			0,02 + 10 mV		0,002 + 1 mV
Pomiar napięcia – czas całkowania 4 ms, 1 ms, 250 µs
Zakres	Zakres pomiarowy			Rozdzielczość			Dokładność ±(%odczytu+V)		Współczynnik temperaturowy ±(%odczytu+V)/ ^oC
200 mV	±205,00 mV			10 µV			0,02 + 200 µV (300 µV)		0,002 + 20 µV (30 µV)
2 V	±2,0500 V			100 µV			0,02 + 300 µV (500 µV)		0,002 + 30 µV (50 µV)
20 V	±20,500 V			1 mV			0,02 + 3 mV (5 mV)		0,002 + 300 µV (500 µV)
110 V	±110,00 V			10 mV			0,02 + 30 mV (50 mV)		0,002 + 3 mV (5 mV)
Pomiar prądu – czas całkowania 16,6 ms/20 ms, 100 ms, 200 ms
Zakres	Zakres pomiarowy			Rozdzielczość			Dokładność ±(%odczytu+V)		Współczynnik temperaturowy ±(%odczytu+V)/ ^oC
20 µA	±20,5000 µA			100 pA			0,03 + 50 nA		0,003 + 5 nA
200 µA	±205,000 µA			1 nA			0,03 + 300 nA		0,003 + 30 nA
2 mA	±2,05000 mA			10 nA			0,03 + 3 µA		0,003 + 300 nA
20 mA	±20,5000 mA			100 nA			0,03 + 30 µA		0,003 + 3 µA
200 mA	±205,000 mA			1 µA			0,03 + 300 µA		0,003 + 30 µA
3 A	±3,20000 A			10 µA			0,03 + 5 mA		0,003 + 500 µA
Pomiar prądu – czas całkowania 4 ms, 1 ms, 250 µs
Zakres	Zakres pomiarowy			Rozdzielczość			Dokładność ±(%odczytu+V)		Współczynnik temperaturowy ±(%odczytu+V)/ ^oC
20 µA	±20,500 µA			1 nA			0,03 + 70 nA (80 nA)		0,003 + 7 nA (8 nA)
200 µA	±205,00 µA			10 nA			0,03 + 350 nA (400 nA)		0,003 + 35 nA (40 nA)
2 mA	±2,0500 mA			100 nA			0,03 + 3,5 µA (4 µA)		0,003 + 350 nA (400 nA)
20 mA	±20,500 mA			1 mA			0,03 + 35 µA (40 µA)		0,003 + 3,5 µA (4 µA)
200 mA	±205,00 mA			10 mA			0,03 + 350 µA (400 µA)		0,003 + 35 µA (40 µA)
3 A	±3,2000 A			100 A			0,03 + 5,5 mA (6 mA)		0,003 + 550 µA (600 µA)
Dane ogólne
Wyświetlacz							256×64 VFD
Pamięć wewnętrzna			ROM				4 MB – dla zachowywania nastaw i przebiegów wyjściowych
			RAM				4 MB – dla zachowywania wyników pomiarów
Temperatura pracy							5…40^oC
Napięcie zasilające							110…120 V AC lub 220…240 V AC (automatycznie przełączane)
Częstotliwość napięcia zasilającego							50/60 Hz
Max pobór mocy							200 VA
Waga							7 kg
Wymiary							213×132×400 mm

Autor: 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”.