Jednym z głównych ograniczeń, z jakim mierzą się inżynierowie jest minimalizacja poboru mocy przez projektowane urządzenia. Niezależnie czy mowa o urządzeniach Internetu Rzeczy (IoT), które powinny przez wiele lat pracować na jednej baterii, czy też o pojazdach elektrycznych, którym należy zapewnić jak największy zasięg – analiza zużycia mocy jest kluczowa. Innym częstym wyzwaniem jest wykonanie dokładnej charakterystyki układów półprzewodnikowych lub innych układów nieliniowych, dla dodatnich i ujemnych prądów oraz napięć. Dobrym przykładem jest wykreślanie charakterystyk diod LED, co jest konieczne do optymalizacji sterowników.

Z uwagi na opisane powyżej wymagania, inżynierowie coraz częściej sięgają po urządzenia SMU (Source Measure Unit – źródła z funkcjami pomiarowymi). To przyrząd pomiarowy, który pozwala jednocześnie podawać prąd/napięcie, a także wykonywać pomiary. Sprzęt ten ewoluował z analizatorów parametrów. Pierwszą samodzielną jednostka SMU był model Keithley 236, wprowadzony do sprzedaży w 1989 roku. Współczesna aparatura SMU zawiera nie tylko wysoce stabilne źródła, działające w trybach stabilizacji prądu i napięcia, ale również bardzo precyzyjne multimetry. Sprzęt ten jest w stanie pracować we wszystkich czterech kwadrantach (kombinacjach biegunów prądu i napięcia). Jednocześnie jest w stanie mierzyć prąd oraz napięcie na tych wyprowadzeniach.

Właściwości zasilaczy SMU

Użytkownicy mogą również ustawić limit prądu lub napięcia, a także uzyskać informację o osiągnięciu tego ograniczenia bez wstrzymywania zasilania. Zdaniem firmy Keithley Instruments, należącej do koncernu Tektronix, oferta dostępnych obecnie na rynku przyrządów może pokryć bardzo szeroki zakres prądów (od 100 fA do 50 A) i napięć (od 100 nV do 3 kV), jednocześnie wykonując pomiary z precyzją do nawet 6,5 cyfry.

Aparatura SMU różni się od standardowych zasilaczy, które zazwyczaj generują tylko dodatnie napięcie i prąd. Dostępne są również tzw. dwukwadrantowe zasilacze, które mogą też pracować jako obciążenie (dodanie napięcie, ujemny prąd). Niektóre z najbardziej zaawansowanych zasilaczy mogą pracować czterokwadrantowo, ale większość z nich wciąż koncentruje się tylko na dostarczaniu mocy, a ewentualne funkcje pomiarowe są w nich tylko prostym dodatkiem.

Dr Philip Weigel, Director Product Management Power Products, Meters, Sources and Audio Analysers w firmie Rohde & Schwarz, wyjaśnia: „Inżynierowie, którzy chcą wyznaczyć charakterystykę prądowo-napięciową diody, muszą przejść od ujemnych napięć i prądów, przez zero, aż do dodatnich napięć i prądów, aby uzyskać pełny obraz sytuacji.” Taka możliwość przemiatania prądu i napięcia w szerokim zakresie daje okazję do sprawdzenia komponentu lub urządzenia w zmieniających się warunkach i dla różnych parametrów.

Pierwsza zintegrowana aparatura pomiarowa

Połączenie funkcji cyfrowego multimetru, źródła mocy, źródła prądu, elektronicznego obciążenia i generatora impulsów – i to wszystkich w jednym urządzeniu, pozwala na oszczędność do 44% kosztów w porównaniu do korzystania z oddzielnych urządzeń. Dodatkowo, pojedyncza jednostka SMU pozwala zmniejszyć o 75% ilość powierzchni zajmowanej na biurku oraz ograniczyć okablowanie i przewody pomiarowe o nawet 60% – twierdzą specjaliści z Keithley Instruments.

Jednostki SMU mogą być używane w bardziej zaawansowanym środowisku. Za ich sprawą uzyskuje się pewność, że wszystkie pomiary są ze sobą skorelowane. Bradley Odhner, Technical Marketing Manager w firmach Tektronix i Keithley Instruments, komentuje: „Ludzie starają się uzyskać jak najwięcej z każdego dolara wydanego na sprzęt. Jednostki SMU są świetne dla firm, które chcą mieć jedno urządzenie do wykonywania wielu złożonych rzeczy. Ma to tym większe znaczenie, że urządzenia ulegają dziś coraz większej miniaturyzacji.”

Dziś aparatura SMU nadal ewoluuje, w efekcie czego w niektórych modelach pojawiają się podstawowe możliwości oscyloskopów. Tak innowacyjne podejście nie zawsze było łatwe, gdyż producenci sprzętu pomiarowego często czuli się ograniczeni przez popyt na tradycyjne linie produktów. Jednakże firmy zaczynają preferować bardziej zintegrowane rozwiązania, co potwierdza Mike Hoffman, Product Manager w Keysight Technologies. „Dotąd mieliśmy dział oscyloskopów, dział zasilaczy i dział analizatorów sieci, które działały niezależnie od siebie. O ile prowadziło to do wprowadzania wielu innowacji, nie pomagało w integracji funkcji pochodzących z różnych rodzajów sprzętu.” – powiedział. „Teraz znacznie łatwiej nam rozwijać urządzenia, które odpowiadają zintegrowanemu środowisku pracy, w jakim powstają.”

Efektywność energetyczna – powód by stosować aparaturę SMU

Jednostki SMU mogą być stosowane w różnorodnych aplikacjach. Co prawda często są postrzegane jako narzędzia do tworzenia charakterystyk komponentów, ale aktualna koncentracja firm na poprawianiu efektywności energetycznej i technologii związanej z akumulatorami zwiększyła rolę, jaką odgrywają. SMU są bowiem powszechnie wykorzystywane do testowania akumulatorów i baterii, zwłaszcza w obszarze IoT.

Konieczność zwiększania sprawności energetycznej napędza zapotrzebowanie na precyzyjne funkcje pomiarowe. Dokładne pomiary zużycia mocy to wielkie wyzwanie dla inżynierów, szczególnie w przypadku pomiarów bardzo małych wartości. Zapewnienie maksymalnej żywotności pracy baterii stanowi wyzwanie w tych aplikacjach, gdyż sprzęt IoT przełącza się pomiędzy trybami transmisji, bezczynności, uśpienia i głębokiego uśpienia. To ważne z punktu widzenia prac badawczo-rozwojowych, gdyż projektanci chcą, by urządzenie na żądanie transmitowało dane i reagowało na użytkownika. Jednocześnie chcą też, by sprzęt przechodził do głębokiego trybu uśpienia tak szybko, jak to możliwe, co pozwala wydłużyć czas pracy na baterii.

Optymalizacja pracy na baterii wymaga aparatury, która pozwala mierzyć prądy w zakresach setek nanoamperów, ale też całych amperów oraz takiego, które pozwoli wychwycić impulsy prądowe szerokości kilku mikrosekund i będzie miało wystarczająco dużą pamięć, by przechować w niej profil charakterystyki prototypowanego urządzenia. Jednostki SMU mogą efektywnie realizować takie pomiary, właśnie celem optymalizacji pracy baterii. Inną ważną funkcją jest tworzenie modelu dla baterii zasilających urządzenie. Skrypt do generowania modelu baterii może sterować pracą jednostki SMU, ustawiając ją jako sterowane obciążenie prądowe i w ten sposób pozyskując parametry modelu.

Pomiar i wykorzystanie modeli baterii

„Jednostka SMU może także symulować różne rodzaje baterii. Przykładowo, projektant który planuje budowę urządzenia IoT, zastanawia się czy wybór akumulatorów niklowo-kadmowych jest odpowiedni do danego zadania. Może też rozważać różne sposoby użytkowania sprzętu. Np. co, jeśli użytkownik będzie korzystał ze sprzętu podczas jazdy na nartach? Jak zachowa się urządzenie, jeśli w otoczeniu będzie bardzo zimno? W wielu jednostkach SMU można załadować model baterii lub akumulatora, po czym zasymulować ich napięcie i impedancję, zależnie od wybranego stopnia naładowania” – mówi dr Weigel.

Przykładem takiej aplikacji testowej jest źródło z funkcjami pomiarowymi – model 2450 SourceMeter firmy Keithley Instruments, które można zaprogramować, by rozładowywało baterię i tworzyło jej model, który następnie wgrywa się do symulatora baterii i akumulatorów, oznaczonego jako 2281S-20-6.

Na model składa się informacja o napięciu rozwarcia oraz o wewnętrznej rezystancji szeregowej, podane w postaci funkcji w dziedzinie stopnia naładowania baterii. Symulator emuluje prawdziwą baterię za pomocą takiego modelu. Dzięki niemu można testować produkty w realistycznych, powtarzalnych warunkach, by ustalić jak urządzenie zachowa się, gdy jest zasilane za pomocą baterii w różnych warunkach rozładowywania.

Precyzja urządzeń SMU również otwiera pole dla innych aplikacji. Dr Weigel komentuje: „O ile półprzewodniki wydają się być najbardziej naturalnym obszarem zastosowań SMU, warto wspomnieć też o trzech innych dziedzinach: precyzyjnej elektronice, badaniach i edukacji.” Przykładowo, jednostki SMU to bezcenne narzędzia pomiarowe dla badaczy technologii kwantowych lub opracowujących nowe materiały, a to za sprawą możliwości pomiarów bardzo małych prądów z bardzo dużą dokładnością.

Testowanie LEDów i akumulatorów

Tworzenie charakterystyk komponentów to bardzo powszechne zastosowanie jednostek SMU. Obecnie aparatura ta jest często używana do upewnienia się, że sterowanie LEDami odbywa się w sposób optymalny. Jednym z priorytetów jest wyznaczanie krzywej prąd-napięcie. Aby możliwe było przetestowanie diody zarówno w trybie zaporowym, jak i przewodzenia, potrzebne jest urządzenie czterokwadrantowe, a więc w praktyce – SMU. Innym obszarem badań jest sprawdzenie, kiedy dioda LED zaczyna i przestaje emitować światło. Adekwatna aparatura jest w stanie mierzyć ilość światła emitowanego ze struktury i skorelować te wyniki z pomiarami z jednostki SMU.

Kolejnym ważnym aspektem jest ograniczanie prądu zasilania. Typowy zasilacz stabilizowany przede wszystkim stara się utrzymać napięcie, ale nie dba zbytnio o limitowanie prądu. Wiele jednostek SMU ma natomiast wbudowany tryb prądowy. Urządzenie stabilizuje wtedy prąd, co pozwala uniknąć uszkodzenia diody LED.

Aparatura SMU do wszelkich aplikacji

Większość dużych producentów aparatury kontrolno-pomiarowej oferuje jednostki SMU, dostosowane do różnych wymagań i budżetów. Najnowocześniejszy NGU401 z oferty Rohde & Schwarz oferuje sześć zakresów pomiarowych dla prądu, a także pomiar prądu, napięcia i mocy z rozdzielczością do 6,5 cyfry. Urządzenie zaprojektowano z myślą o tworzeniu charakterystyk układów pracujących zarówno przy niezwykle małym poborze mocy, jak i przy dużych prądach na poziomie pojedynczych amperów.

Jednostka SMU Keithley Instruments serii 2634b ma wbudowane oprogramowanie plug-and-play oparte o Javę, służące do testowania oraz do wykreślania charakterystyk prądowo-napięciowych. Natomiast jednostkę 2461 SMU zoptymalizowano na potrzeby wykreślania charakterystyk i testowania urządzeń o dużej mocy, wykonanych w technologiach SiC czy GaN, a także przetwornic DC/DC, MOSFETów mocy i ogniw fotowoltaicznych.

Przyrządy Keysight z serii B2900B i B2900BL mogą pracować z napięciem do ±210 V, prądem stałym w zakresie ±3 A i z impulsami prądowymi w zakresie ±10,5 A. Jednocześnie minimalne prądy i napięcia, jakie można ustalić czy mierzyć, wynoszą 10 fA i 100 nV. To oznacza, że modele B2900B i B2900BL są w stanie wykonywać pomiary bardzo precyzyjne, jakie dotąd dało się realizować jedynie za pomocą specjalnych, drogich analizatorów do badania półprzewodników. Przyjazny w użytku, kolorowy ekran LCD z graficznym interfejsem użytkownika można przełączać pomiędzy kilkoma trybami pracy, zależnie od realizowanego zadania. Pozwala to użytkownikom szybko wykonywać pomiary i prezentować uzyskane wyniki.

Jednostki SMU serii B2900B/BL obsługują też tradycyjne komendy SCPI, co sprawia, że można łatwo przenieść skrypty z dotychczasowych stanowisk do testowania i po takiej migracji zdejmować charakterystyki zdalnie, za pomocą sterowanego programowo komputera. Cechy te powodują, że praca z aparaturą jest bardziej wydajna, a całkowity koszt posiadania systemów testowych maleje, gdy zastosuje się w nich jednostki SMU.

Podsumowanie

Wraz z rozwojem urządzeń, które łączą w sobie najlepsze z cech cyfrowych multimetrów oraz zasilaczy, jednostki SMU stanowią dla projektantów komponentów i urządzeń elektronicznych potężne narzędzie. Jest ono nie tylko niedrogie, ale też znacznie bardziej użyteczne, a jednocześnie mniejsze niż zestaw złożony z dwóch niezależnych instrumentów.