8. Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy Část a)
Napájení a stimulace / měření a sběr dat napájení
DC Prog. napájecí zdroje
AC napájení 1f / 3f Analyzátory výkonu
Měření spotřeby Multimetry
Funkční / arbitrary generátory
DUT / Experiment
stimulace
Spekrální analyzátory Osciloskopy
Přepínání měř. míst Měření odezvy
Přepínače DAQ moduly
Měření odezvy Dohled nad průběhy signálů
Digitizéry DAQ moduly
Rychlé jednorázové děje
DC napájecí zdroje Důležité parametry: – – – –
Rozsah U a I, schopnost VC, CC Max. P (často omezeno max. U x I) Rozlišení v nastavení U a I Šum, zvlnění, stabilita (pozor: dnešní katalogové specifikace často bez rezervy)
• Často zabudovaný měřič U a I – U některých modelů: vzdálené měření U na zátěži (korekce dU na vodičích) = podobné 4sv. měření R
Obr.: Agilent
Agilent E3631A 80W: 6V, 5A & ±25V, 1A •
Programming Accuracy at 25°C ±5°C – –
•
Ripple & Noise (20 Hz to 20 MHz) – – –
•
Voltage: 0.05% + 20 mV, 0.05% + 20 mV, 0.1% + 5 mV + Current: 0.15% + 4 mA, 0.15% + 4 mA, 0.2% + 10 mA Normal Mode Voltage: <350 µVrms/ 2 mV p-p, <350 µV rms/2 mV p-p, <350 µV rms/2 mV p-p Normal-mode current: <500 µA rms, <500 µA rms, <2 mA rms Common-mode current: <1.5 µA rms, <1.5 µA rms, <1.5 µA rms
Readback Accuracy at 25°C ±5°C – –
Voltage: 0.05% + 10 mV, 0.05% + 10 mV, 0.1% + 5 mV Current: 0.15% + 4 mA, 0.15% + 4 mA, 0.2% + 10 mA
Obr.: Agilent
Odolnost proti rušení do napájení • Ochrana před rušením (EMI) – Stíněné kroucené vodiče – NEPOUŽÍVAT stínění jako vodič proudu – UZEMNINT na JEDNÉ straně
Obr.: Agilent
Speciální: Source-metery (Zdrojová a měřicí jednotka) • Kombinace nap. zdroje a multimetru • Proměřování VA charakteristik • Zdroj / spotřebič (4-kvadrant source / sink) • Omezení U a/nebo I „compliance limits“ Obr.: Keithley
• Set – Delay (ustálení hodnot) – Measure
Struktura měřicí a zdrojové jednotky • • •
Řídicí část AČ převodník + přepínač měřicích míst (měření U popř. I) Řízený zdroj proudu a omezovač napětí (náhrada zdroje napětí)
a) zdroj napětí, měření proudu: • řízený zdroj napětí je realizován zdrojem proudu a řízeným omezovačem napětí • u zdroje proudu je nastaven maximální přípustný proud (compliance limit)
b) zdroj proudu, měření napětí: • řízený zdroj proudu • omezovač napětí je nastaven maximální přípustné napětí (compliance limit)
Příklad - pasivní zátěž: VSRC = 10V; ICMPL = 10mA, DUT resistance: 1Ω (pasivní) ITEOR = VSRC / RDUT = 10 A, ALE: compliance => V = 10mV, I = 10mA
Příklad – aktivní zátěž (baterie) VSRC = 5V; ICMPL = 100mA, DUT baterie 6V => Source meter = sink (spotřebič) Odebírá proud z baterie I = 100mA až do vybití na 5V
Algoritmus měření
Nastavitelné průběhy:
Testování polovodičů
Charakterizace polovodičových součástek Unipolární tranzistor Dioda
Bipolární tranzistor Triak
Zapojení pro měření parametrů dalších součástek Charakteristiky kondenzátorů
Charakteristiky operačních zes.
Charakteristiky termistorů
Charakteristiky optronů
Source Meter Unit • Agilent B2901 I: 10 fA - 3 A (DC)/10.5 A (pulse) U: 100 nV - 210 V • Keithley 2400 I: 10.0000 mA (po 500 nA), šum 50 µA .. 1.00000 A (po 50 µA), šum 100 µA U: 200.000 mV (po 5 µV), šum 5 µV .. 200.000 V (po 5 mV), šum 5 mV
Obr.: Agilent
Obr.: Keithley
Elektronické zátěže Testování napájecích zdrojů, baterií, palivových článků apod.
Obr.: Agilent
Výkonový MOSFET maří dodávaný výkon ze zdroje. Proud MOSFETem IIN je měřen snímacím odporem RSENSE jako úbytek napětí a porovnáván s hodnotou řídícího vstupu. Rozdíl ovládá otevírání MOSFETu (režim CC). Zároveň se monitoruje velikost napětí ze zdroje VIN 3 možné režimy činnost: CC, CV, CR – konstantní proud, napětí nebo odpor + režimy ON/OFF (open circuit / short circuit), také jako pulsní (měření transientů zdroje)
Režimy činnost zátěže CC – const. current
Nejběžnější režim. Zátěž se chová jako regulátor konst. proudu. Ovládání MOSFETu podle měřeného proudu.
CR – const. resistance
CV – const. voltage
Režim konst. odporu.
Režim konst. napětí.
Ovládání MOSFETu podle měřeného napětí (!). Tj. proud je přímo úměrný napětí -> I = U / R
Zátěž se chová jako výkonová Zenerova dioda.
Obr.: Agilent
Režimy činnost zátěže Transientní (pulsní) režimy dovolují testovat odezvu zdroje na změny mezi dvěma úrovněmi zatížení. Lze nastavit rychlost přeběhu (slew rate), a další parametry pulsu jako jednorázové (na trigger) / periodické opakování danou frekvencí, ... Zároveň umožňují měření i s nízkým Duty cycle – tj. lze zdroj silně zatěžovat aniž by se příliš zahříval. Pulsy vytváří zabudovaný generátor nebo vnější řídicí signál.
Obr.: Agilent
Použití transientních režimů - doba zatavení po změně, …
Trigger
Obr.: Agilent
Statické testy zdrojů - efekt zatížení zdroje
Obr.: Agilent
Vstupní AC napětí pro napájení testovaného zdroje je při testu měřeno (pro kontrolu, že je konst.) nebo vytvářeno AC zdrojem.
Statické testy zdrojů - efekt omezení max. proudu
Obr.: Agilent Periodic and Random Deviation (dříve: Ripple and Noise)
+ mnoho dalších testů zdrojů a baterií: zvlnění (PARD), účinnost, drift, vliv napájení, zkratový proud, přepěťová ochrana, kapacita baterie, …
Zátěž v režimu nízkého napětí Při nízkém napětí (pod 3V) má většina elektronických zátěží problémy se správnou činností.
Obr.: Agilent
Při napětí pod 3V je regulační tranzistor plně otevřen a ztrácí schopnost regulace proudu. Odpor je pak prostě saturační odpor tranzistoru RDS(ON). Zátěž bude dál fungovat s omezenou proudovou kapacitou a s horší rychlostí přeběhu (slew rate). U nízkonapěťových zdrojů s velkým proudem může být problém už při napětí zdroje 5V (protože 2V se ztratí jako úbytky napětí na kabelech a na zátěži je jen 3V). Možno řešit offsetovým zdrojem v sérii s testovaným zdrojem – posunutí prac. bodu.
Zátěž v režimu nízkého napětí Jednoduchý zdroj 3-5V s dostatečnou proudovou kapacitou v sérii s testovaným zdrojem posune pracovní bod na limit 3V. Snímací terminály zátěže (+S, -S) musí být zapojeny separátně k testovanému zdroji. Problémy: - pomocný zdroj přidává další šum do obvodu (případně nutno volit nízkošumový zdroj) - zátěž musí být schopna zmařit výkon testovaného zdroje dohromady s výkonem pomocného zdroje
Obr.: Agilent
- mohlo by dojít k poklesu napětí testovaného zdroje (např. overcurrent protection) a následně k přepólování zdroje. Proto je nutné monitorovat napětí na zdroji a zátěž by měla obsahovat reverse protection.
Př. elektronická zátěž Agilent N3302
Vstupní rozsahy a přesnost: I: 0-30A (0.1% + 10mA)
Zabudovaný přesný multimetr (U, I, P) Open: >20 kΩ; Short: < 66 mΩ
U: 0-60V (0.1% + 8mV) P: 150W max. (40°C) Slew rate (slow mode): 500-25kA/s Ripple & noise (20Hz – 10MHz): 2mArms, 20mApp, 5mVrms
Obr.: Agilent
Analyzátory výkonu
Výpočet U, I a P, atd… z okamžitých hodnot u(t), i(t) (resp. po ADC uj, ij) P = střední hodnota okamžitého výkonu
N odpovídá 1 periodě signálu Opakování: přednášky A3B38SME Senzory a měření
Norma D5135 Norma D5135 AC/DC Power Analyzer (1f) I a U: RMS(DC+AC), RMS (AC), Rect. mean P[W], S [VA], cos ϕ N nemusí odpovídat 1 periodě
Obr.: Norma (resp. Wotol)
Pokud je integrační (sumační) doba mnohonásobně delší než perioda, nekoherence N s periodou způsobí malou chybu Plovoucí vstupní část I (t)
U (t)
Vst. dělič a zesilovač Vst. dělič a zesilovač
SAR ADC
SAR ADC
Impulsní tranf. rozhraní Display uP
Keyboard GPIB
Fluke - Norma 4000/5000
1-3 fáze (6 fází Norma 5000) DC – 10 MHz Přesnost 0.2%, 0.1%, 0.03% (podle vstupního modulu) U: 0.3 to 1000 V I: 0.03 mA – 20 A (podle vstupního modulu), nebo RSens Všechny vstupy galvanicky izolované Vyhodnocení Harmonics U a I: do 40. Průměrovací doba: 15 ms – 3600 s FFT analýza, vektorový display, DSO průběhů,
Obr.: Fluke
Fluke - Norma 4000/5000
Obr.: Fluke
Norma 4000/5000 – 1x kanál U a I (celkem 3 fáze)
Obr.: Fluke
ZES Zimmer LMG 500 Precision power analyzer
1-8 kanálů DC – 10 MHz Přesnost 0.025% U: 3V - 1000 V
Obr.: ZES Zimmer
I: 20 mA – 32 A Vyhodnocení Harmonics do 50kHz v realtime, 1MHz postprocessingem v PC
ZES Zimmer LMG 500 Precision power analyzer
Obr.: ZES Zimmer
