Якісне лабораторне обладнання для точної діагностики характеристик постійного струму

Даний посібник висвітлює питання, пов'язані з найчастіше застосовуваними сьогодні методиками тестів х-к постійного струму щодо напруги (IV тести), описує здаються невід'ємними при цьому ускладнення, і як нові методики можуть допомогти не тільки подолати ці труднощі, але також і підвищити ефективність і продуктивність самих цих тестів.

Зміст

• Характеристики прямої та зворотної струмової напруги двотермінальних пристроїв;
• Характеристики прямої та зворотної струмової напруги тритермінальних пристроїв;
• Вимірювання опору: Налаштування приладу для правильного відображення результатів тестів;
• Вимірювання потужнісних х-к та ефективності роботи пристроїв;
• Аналіз енергоспоживання постійного струму для пристроїв із низьким енергоспоживанням

1. Характеристики прямої та зворотної струмової напруги двотермінальних пристроїв

Характеристики струмової напруги (IV характеристики) двотермінального пристрою визначаються як співвідношення величини струму, що пропускається через к-л механізм/прилад та величини напруги на його (механізмі/приладі) клемних роз'ємах. Тестування IV характеристик регулярно здійснюється під час проведення науково-дослідних робіт, коли задіюється безліч електронних двотермінальних пристроїв, включаючи резистори, діоди, світлодіоди, сонячні батареї, різні датчики. Виявлення характеристик IV двотермінальних пристроїв передбачає послідовне виставлення рівнів напруги та струму на пристрої від одного рівня до іншого з вимірами результуючих х-до цих струмів та напруг у режимі, відомому як розгортка. Зібрані дані подаються у графічному вигляді, де вісь Х – дані по напрузі, а вісь Y – дані по струму, тим самим формується крива прямого та зворотного струмів двотермінальних пристроїв (крива IV).

Для формування такого роду розгорток зазвичай використовуються джерела живлення та цифрові мультиметри (DMMs), однак цей традиційний метод може виявитися дещо заплутаним як для новачків, так і для досвідчених користувачів.
• Конфігурація вимірювального інструментарію для виконання режиму розгортки може бути складною і вимагатиме навичок програмування, якщо такий режим не вбудований у цей інструментарій;
• Синхронізація роботи безлічі приладів для збору даних, необхідних для складання кривої IV, вимагає від користувача хороших знань про використовуваний прилад та навички програмування;
• Візуалізація даних – витратний за часом захід. Дані повинні бути переміщені від приладу до електронної таблиці, при цьому графіки повинні бути правильно конфігуровані для точного відображення кривої IV.

Отримання характеристик прямої та зворотної струмової напруги двотермінальних пристроїв може бути істотно спрощено за допомогою джерела-вимірювача (SMU), як, наприклад, Keithley's 2450 або 2460 SourceMeter® SMU, які комбінують функції джерела живлення високої роздільної здатності та прецизійного DMM в одному конструктиві. Як альтернатива Keithley можна застосовувати прецизійний мультиметр SDM3065X SIGLENT з точністю 0.0015% - все залежить від фінансових можливостей користувача і глибини завдань, що стоять перед ним.
• Циклічність процесу джерело-вимірювання-затримка вимагає високоточної синхронізації джерела живлення перед початком процесу вимірювань, щоб у результаті можна було вибудовувати точну розгортку без зовнішньої синхронізації.
• Вбудовані функції генерування розгортки використовують режими тестів джерело напруги/струм вимірювань або джерело струму/напруга вимірювань, які можуть швидко конфігуруватися для прискореного отримання результатів.
• Зібрані дані можна відразу ж аналізувати через інтерфейси Touch, Test, Invent®.

2. Характеристики прямої та зворотної струмової напруги тритермінальних пристроїв

Отримання IV параметрів трьохтермінальних пристроїв як MOSFETs є вкрай важливим для забезпечення належного функціонування цього пристрою в заданих режимах та його відповідності заявленим специфікаціям. Деякі тести IV включають тестування струму витоку затвора, напруга пробою, порогова напруга, характеристики передачі, струму витоку і опір. Незважаючи на те, що всі ці процедури мають багато спільного з процедурами отримання IV характеристик двотермінальних пристроїв, у випадку з тритермінальними електронними компонентами взаємозв'язок струм-напруга на одній парі терміналів залежить від параметрів струму або напруги на третьому терміналі. Дані по кожній розгортці накладаються на складну графічну схему струм-напруга, коли мають місце безліч кривих, де кожна крива базується на характеристиках струм-напруга термінальної пари при різних значеннях струму або напруги на третьому терміналі.
Отримання характеристик трьохтермінальних пристроїв вимагає наявності декількох вимірювальних приладів, включаючи високочутливі омметри, різні джерела живлення і вольтметри.

• Інтегрування, програмування та синхронізація між собою безлічі різних вимірювальних приладів може виявитися досить нудним заняттям, до того ж вимагатиме на це багато часу.
• Синхронізація інструментарію та пристроїв між собою, виставлення належних діапазонів, корекція зсувів тощо. передбачають як результат якісну синхронну роботу цих інструментів та пристроїв, що не буває не завжди.
• Потрібна наявність письмових програм або конфігурація попередньо написаних у встановленому діапазоні прикладних програмних пакетів для джерел напруги або струму – тільки після цього здійснюються вимірювання взаємозалежностей струму та напруги.
• Прилади SMU (джерела-вимірники) спрощують тестування трьохтермінальних пристроїв через комбінацію функцій джерела та вимірювача в одному конструктиві, але для повноцінних тестів потрібно щонайменше два прилади SMU.

3. Вимірювання опору: Конфігурування приладу для правильного відображення результатів тестів

Опір це міра протистояння матеріалу потоку струму, а ця характеристика вимірюється в Омах. Виміри опору зазвичай здійснюються через генерування встановленої величини струму через пристрій, після чого проводяться вимірювання напруги на терміналах цього пристрою, а потім законом розраховується опір. Цей метод переважно застосовується цифровими мультиметрами (DMMs), і навіть джерелами-вимірювачами (SMU).
Здійснювати вимірювання опору за допомогою приладів SMU відносно просто, але можуть виникати пов'язані з описаним вище методом проблеми тоді, коли необхідно внести зміни в загальноприйняту методику вимірювання опору.

• Величина струму, що передається на пристрій, що тестується, повинна бути видозмінена для визначення реакції цієї величини на різних рівнях, як то: коли для отримання високоточних результатів необхідно подати великий струм через пристрій з дуже низькою величиною опору або коли пристрій володіє дуже високим опором і потрібен метод тестування характеристик прямої та зворотної струмової напруги.
• Візуалізація даних необхідна для побудови графіка опору в часі для визначення того, як пристрій схильний до впливу навколишнього середовища, самого нагрівання тощо впливів.

Джерела-вимірювачі Keithley моделі 2450 і 2460 SourceMeter® мають користувальницький графічний інтерфейс на технології Touch, Test, Invent®, що дозволяє легко конфігурувати ці прилади для вимірювання різних рівнів струму. Як альтернатива обладнанню від Keithley, можливе застосування приладів від Siglent Technologies, наприклад, особливостями прецизійного мультиметра SDM3065X є:

• Швидкі та точні вимірювання напруги (DC/AC), струму (DC/AC), опору, частоти, періоду, ємності, температури.
• Яскравий кольоровий дисплей 4,3" (480x272) з підсвічуванням, графічний, розрядність 6½ (2 200 000 відліків)
• Функція вимірювання діючих середньоквадратичних значень напруги та струму ( True-RMS )
• Статистичний аналіз, відносні вимірювання, функції HOLD, MIN, MAX з прив'язкою до часу, побудова трендів
• Можливість збереження результатів вимірювання під власним ім'ям.
• Об'єм пам'яті 1 Гб для зберігання результатів вимірювань
• Висока швидкість вимірювання.
• Висока точність вимірів: 0,0015%
• Вбудована компенсація для термопар
• Вбудований частотомір із смугою від 2 Гц до 1 МГц
• Функція "обнулення" та калібрування
• Можливість програмного калібрування приладу
• Інтерфейси: USB Device, USB Host, LAN, GPIB (опційно).

Для вирішення описаних вище завдань SDM3065X може використовуватися спільно з 3-х канальним програмованим джерелом живлення Siglent SPD3303C , особливостями якого є:

• Незалежний контроль та керування по трьох каналах.
• 4-x розрядний дисплей за напругою, роздільна здатність: 10 мВ
• 3-х розрядний дисплей по струму, роздільна здатність: 10 мА
• Три режими роботи: незалежні канали, паралельне та послідовне включення
• Відображення форми сигналу! (вперше у бюджетних моделях)
• Дистанційне керування SCPI-команди
• Дисплей: LED символьний
• Контроль за системою охолодження для зменшення шуму
• Захист від перевантаження, перегрівання.
• Збереження/виклик до 5 груп попередніх установок.

У той же час джерела-вимірники від Keithley можна легко конфігурувати для застосування методу джерело напруги/вимірювання напруги або джерело струму/вимірювання напруги. Змінні параметри тестування важко генерувати на звичайних вимірювальних приладах, в той час як кольоровий графічний інтерфейс моделей Keithley 2450 і 2460 безпосередньо відображають на екрані графік змін, в той час як процес збору даних продовжує йти безперервно.

4. Вимірювання потужнісних х-к та ефективності роботи пристроїв

Напівпровідникові пристрої, інтегровані схеми та енергетичні системи вимагають регулярного тестування для оцінки низки параметрів, таких як максимальна потужність, рівні розрядки елементів живлення, енергоефективність щодо струму, а також залишковий струм пристрою. Потужність - розрахункова величина при вимірах, коли потрібно знати параметри напруги та струму на пристрої. Виміряні параметри напруги потім множаться на параметри струму розрахунку потужності. Ефективність (ККД) - це відношення потужності, що споживається пристроєм, до потужності, що надходить на пристрій. У той час, як вимірювання потужності – досить проста процедура, якщо робити це за допомогою джерела-вимірника (SMU), то вимірювання ККД трохи складніше.
• Необхідно безліч приладів для вимірювання потужності як на вході, так і на виході пристрою;
• Звичайні (стандартні) прилади не розраховують і не відображають параметрів потужності;
• Автоматизація тестів із застосуванням ПК вимагає знання набору команд та їх подачі на прилади, а також потрібні навички програмування.

Джерела-вимірювачі Keithley моделі 2450 і 2460 SourceMeter® за наявності графічного інтерфейсу Touch, Test, Invent® значно спрощують процес вимірювання енергоефективності, якщо використовувати для цього технологію тестового скрипт-процесора Keithley's (TSP®) і віртуальну об'єднувальну. При використанні технології TSP та комунікаційної шини TSP Link, вимірювання енергоефективності, де потрібна наявність двох приладів, можуть бути здійснені швидко і просто через фронтальну панель одного приладу, коли на цю панель будуть виведені автоматично розраховані параметри енергоефективності.

5. Аналіз енергоспоживання постійного струму для пристроїв із низьким енергоспоживанням

Характеристика профілю енергоспоживання є вкрай важливою для пристроїв з низьким енергоспоживанням, таких як компоненти мереж Інтернет, портативні, переносні, бездротові, медичні пристрої, що імплантуються, і специфічні промислові вироби з низьким енергоспоживанням. Використання енергії безпосередньо корелює з розрядом батарей і впливає на корисність продукту. Аналіз енергоспоживання постійного струму (DC) є нетривіальним завданням, оскільки через ці пристрої часто проходить струм у широких діапазонах від наноампер до ампер, залежно від операційних режимів. Ці пристрої часто мають дуже короткий час пробудження, який може тривати всього в кілька мікросекунд, при цьому потрібні тривалі періоди реєстрації даних для формування повного профілю енергоспоживання.
Існує кілька складностей асоційованих з процедурою енергоспоживання DC для пристроїв з низьким енергоспоживанням, які включають:
• Досягнення високої точності при вимірюваннях струму навантаження в широких діапазонах – типовий профіль енергоспоживання постійного струму для пристроїв з низьким енергоспоживанням має широкий діапазон навантаження від нано-ампер до ампер. Більшість приладів не мають достатньої точності/чутливості на всіх діапазонах.
• Захоплення вузьких смуг струмових навантажень при переході пристрою на свої активні режими - більшість окремих імпульсів відбуваються у вигляді викидів активностей із тривалістю мікросекунди, що не перевищує. Існуючі прилади не мають достатньої частоти вибірки, необхідної для захоплення такого роду викидів струмових навантажень.
• Обширна реєстрація даних – такі тести зазвичай тривають протягом тривалих періодів, що висуває до приладів специфічні вимоги щодо наявності в них достатніх обсягів пам'яті, достатніх для режимів тривалого моніторингу.
• Помилки, що вносяться тестовим інструментарієм – існуючі рішення вносять помилки в систему як напругу навантаження. Оскільки загальне енергоспоживання в даному додатку низьке, висока напруга навантаження, що вноситься в систему, генерує і велику помилку.
• Чиста стабільна потужність - існуючі рішення можуть робити помилки з вихідними значеннями, що містять безліч шумів.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник мультиметрів до України: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/multimetry