8. Vybrané přístroje pro laboratorní měřicí systémy

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