R&S®Essentials | Grundlagen von DC-Netzgeräten
Autor: James Lewis l Messtechnikexperte und Blogger
Source Measurement Units (SMU) sind vielseitige Geräte für Elektroniktests und -messungen. Sie messen Spannung und Strom präzise und können als Stromversorgung oder elektronische Last eingesetzt werden. Ihre Flexibilität macht sie besonders wertvoll für Ingenieure, die mit IoT- und Wireless-Geräten arbeiten.
Eine Source Measurement Unit (SMU) ist ein Testgerät, das eine Stromversorgung, eine elektronische Last und ein hochauflösendes Digitalmultimeter in einer einzigen Einheit vereint. SMUs können zur Charakterisierung von Halbleitern, zur Überwachung des Stromverbrauchs eines Mikrocontrollers oder zur Simulation einer Batterie für ein IoT-Gerät eingesetzt werden.
Der Hauptunterschied zwischen einer SMU und einem Tischnetzgerät besteht in der Fähigkeit der SMU, sowohl als Stromquelle als auch als Stromsenke zu fungieren, sowie in der hohen Rücklese-/Einstellauflösung.
SMUs können dynamische Änderungen verfolgen. Zum Beispiel kann ein Bluetooth®-Low-Energy-Gerät im Ruhemodus Strom im einstelligen Nanoampere-Bereich verbrauchen, aber beim Auslesen eines Sensors und Übertragen der Daten mehrere hundert Milliampere benötigen. Eine SMU kann beide Strombereiche messen und gleichzeitig den Prüfling mit Strom versorgen.
Eine weitere Anwendung von SMUs ist die Charakterisierung von Halbleiterbauelementen. Die Ausgangsklemmen einer Vier-Quadranten-SMU arbeiten unabhängig von der Polarität als Quelle oder Senke. Dies ermöglicht die Charakterisierung des Sperr- und Durchlassverhaltens von Halbleiterbauelementen wie z. B. Dioden mit einem einzigen Gerät.
Lesen Sie weiter, um mehr über fünf SMU-Anwendungen zu erfahren – und wie sie Ihnen bei der Charakterisierung eines Prüflings helfen können.
Da eine SMU im Wesentlichen die Integration von drei verschiedenen Geräten darstellt, sind die Einsatzmöglichkeiten vielfältig. Eine SMU kann beispielsweise als Tischnetzgerät mit Sicherheitsfunktionen wie Überspannungsschutz und Strombegrenzung genutzt werden. Zudem kann das eingebaute 6,5-stellige Multimeter Spannung, Strom und Leistungsaufnahme messen, während der Prüfling mit Strom versorgt wird.
Im Gegensatz zu einem separaten Tischnetzgerät kann eine Zwei-Quadranten-SMU als Quelle oder Senke arbeiten. Die SMU verhält sich ähnlich wie eine elektronische Last, wenn sie als Senke agiert. Eine solche elektronische Last ist im Prinzip ein programmierbarer Widerstand. Je nach Modus kann die Last einen konstanten Spannungsabfall bewirken, einen konstanten Strom aufnehmen oder für den Prüfling einen konstanten Widerstand darstellen.
Source Measurement Units wie die R&S(R)NGU201 Serie können automatisch zwischen Quellen- und Lastbetrieb umschalten. Dank dieser Flexibilität lässt sich mit solchen Geräten das Lade- und Entladeverhalten von Batterien simulieren.
Das in die SMU integrierte Digitalmultimeter kann Spannung, Strom und Leistungsaufnahme überwachen, unabhängig davon, ob das Gerät als Quelle oder als Last fungiert. Es ist hilfreich, die Momentanwerte auf der Frontplatte ablesen oder über Fernprogrammierbefehle abrufen zu können. Für die Charakterisierung eines Geräts kann es jedoch wichtig sein zu sehen, wie sich diese Werte im Zeitverlauf ändern.
Eine SMU kann diese Messungen bis zu 500.000 Mal pro Sekunde (500k Samples/s) durchführen. So übernimmt die SMU die Rolle eines Datenaufzeichnungsgeräts. Beispielsweise können Sie die erfassten Daten zur detaillierten Analyse in einer CSV-Datei auf einem USB-Laufwerk speichern. Alternativ lassen sich die Trends auch direkt auf dem Frontdisplay anzeigen.
Zusätzlich zur Erfassung dieser Protokolldaten können Sie die Genauigkeit mit Hilfe der „SENSE-Eingänge“ einer SMU verbessern. Da in den Kabeln zwischen der SMU und dem Prüfling Verluste auftreten, ist die Spannung an den Anschlüssen der Frontplatte höher als die am Prüfling anliegende Spannung. Spezielle SENSE-Eingänge mit separaten Kabeln, die am Eingang des Prüflings angeschlossen sind, ermöglichen es der SMU, diese Verluste zu kompensieren und genauere Messwerte zu erzielen.
Eine weitere Verbesserung betrifft speziell die R&S®NGU201. Dieses Gerät bietet ein optionales digitales Voltmeter (DVM), das Sie an beliebiger Stelle in einem Stromkreis platzieren können. Sie können zum Beispiel den Zustand einer Batterie oder den Ausgang eines Point-of-Load-Wandlers überwachen. Dieses DVM arbeitet parallel zur Spannungsmessung an der Frontplatte und ist vom Kanal galvanisch getrennt.
Bei Geräten, die im Ruhezustand den Energieverbrauch reduzieren und über einen Funksender verfügen, kann der Strombedarf vom Nanoampere- bis in den Amperebereich schwanken. Eine SMU kann diese großen Strombereiche genau messen und gleichzeitig den Prüfling mit Strom versorgen.
Wenn der Prüfling seinen Betriebszustand ändert, kommt es zu einer plötzlichen Änderung der Stromaufnahme. Ein Tischnetzgerät braucht einige Zeit, um auf eine Laständerung zu reagieren. Herkömmliche eigenständige Netzgeräte sprechen oft langsam auf diese Änderungen an. Geräte wie die R&S®NGU Serie können dagegen in weniger als 30 Mikrosekunden auf eine Änderung des Lastverhaltens reagieren.
Bei der Charakterisierung eines Halbleiterbauelements müssen Sie in der Regel Strom mit normaler und umgekehrter Polarität ableiten und erzeugen. Betrachten wir zum Beispiel eine Diode.
Um die Strom-Spannungs-(IV)-Kurve einer Diode darstellen zu können, muss der Strom gemessen werden, der bei negativen Spannungen bis hin zu positiven Durchlassspannungen fließt. Ein herkömmliches Netzgerät oder eine Zwei-Quadranten-SMU kann zwar problemlos auch negative Spannungen liefern, der Wechsel zwischen negativer und positiver Spannung erfordert aber einen manuellen Eingriff – die Sonde muss physisch ausgetauscht werden. Eine Vier-Quadranten-SMU kann jedoch den gesamten benötigten Spannungsbereich durchlaufen und nahtlos von negativen auf positive Spannungen wechseln.
Es gibt mehrere Herausforderungen im Hinblick auf die Betriebsdauer batteriebetriebener Geräte. Eine Herausforderung besteht darin, dass die Energie in Batterien chemisch gespeichert wird. Die Leistungsabgabe variiert je nach chemischer Zusammensetzung, Temperatur und Last. Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass der Wirkungsgrad eines DC/DC-Wandlers von der Eingangsspannung und Ausgangslast abhängt.
Das Testen aller möglichen Variationen mit physischen Batterien ist nicht praktikabel – vor allem, wenn Sie verschiedene chemische Zusammensetzungen wie Lithium-Ionen oder Lithium-Polymer ausprobieren wollen. Glücklicherweise können SMUs wie die R&S®NGU Batterien simulieren. Außerdem können Sie diese Geräte mit benutzerdefinierten Profilen programmieren, um sie besser an die Umgebungsbedingungen anzupassen.
Eine SMU kann die Betriebsdauer Ihres Geräts unter verschiedenen Bedingungen bestimmen – ohne zusätzliche Hilfsmittel. Dies ist der wichtigste Vorteil der Verwendung einer SMU zur Simulation einer Batterie.
Ein weiteres Beurteilungskriterium ist die Fähigkeit eines Geräts zum Wiederaufladen einer Batterie. Wenn Sie eine SMU als elektrische Last verwenden, können Sie spezielle Situationen wie keine angeschlossene Zelle, Überspannung, Unterspannung oder Batteriekurzschluss simulieren.
Suchen Sie eine SMU? Unsere Experten können helfen.
