Stromversorgung und Messtechnik Source Measure Units für Batterie- und Halbleitertests

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Den Markt der Source Measure Units betritt Rohde & Schwarz mit zwei neuen Geräten: einem Zweiquadranten- und einem Vierquadranten-Modell. Die Geräte eignen sich nicht nur für Batterietests, sondern auch für Halbleitertests an Dioden.

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Stromversorgungen, Spannungsversorgungen und in Kombination als Source Measure Unit im Produktportfolio von Rohde & Schwarz.
Stromversorgungen, Spannungsversorgungen und in Kombination als Source Measure Unit im Produktportfolio von Rohde & Schwarz.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Seit 2018 bietet Rohde & Schwarz verschiedene Geräte für die Stromversorgungen: Die Basic-Geräte aus der Familie der Stromversorgungen sind die Arbeitstiere, lassen sich direkt am Gerät oder via PC kontrollieren und finden sich in Lehre, Ausbildung oder im Laboralltag. In der nächst höheren Familie, den sogenannten Performance Power Supplys, finden sich Geräte, die eine höhere Genauigkeit bieten und sich außerdem programmieren lassen. In der höchsten Klasse der Stromversorgungen sind Geräte, die nicht nur präzise sind, sondern sie sind auf spezielle Anwendungen ausgelegt.

Jetzt betritt Rohde & Schwarz eine neue Gerätekategorie: die Source Measure Units (SMU) aus der Familie R&S NGU. Neben einer präzisen Stromversorgung (gesteuertes Netzteil) vereint eine SMU zusätzlich ein Messgerät. Damit ist es in der Lage, das zu untersuchende Objekt automatisch zu vermessen. Hinzu kommt, dass eine SMU als Quelle und Senke in allen vier Quadranten arbeiten kann. Damit lässt sich sowohl ein positiver Strom als auch ein negativer Strom oder eine positive oder negative Ausgangsspannung einspeisen.

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Die drei wichtigsten Märkte der SMU

Mit seiner neuen SMU-Gerätefamilie bedient Rohde & Schwarz drei wichtige Märkte: Forschung und Entwicklung, Halbleiter und ihre Komponenten sowie die präzise Elektronik. Gerade in der Batterieentwicklung für die mobilen Geräte sind Forscher auf der Suche nach neuen Materialien für effizientere Energiespeicher. Ein gängiges Beispiel sind neuartige Anoden- und Kathoden-Materialien für Batterien.

Damit lassen sich nicht nur Energiedichte, Leistungsdichte und Laderate verbessern, sondern auch die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie. Ein drittes Feld ist der Test von Halbleiterkomponenten wie LED und VCSEL. Die LED stehen für ein effizientes und günstiges Licht. Allerdings sind die leuchtenden Halbleiter anfällig gegen Überspannung, die wiederum die LED zerstört. Hier kann eine SMU mit ihren Vier-Quadranten helfen, die Kennlinien durchzufahren.

Die Lebenszeit der Batterie ist der entscheidende Faktor. Hängt an ihr wiederum die Lebenszeit des Geräts. Ein Wechsel der Batterie ist mit hohen Kosten verbunden oder in vielen elektronischen Geräten schlicht nicht mehr möglich, da fest verlötet.

Aus diesem Grund spielen SMUs bei der Entwicklung mobiler Anwendungen wir Smartphones, Smartwatches aber auch Parksensoren oder Überwachungselektronik eine wichtige Rolle. Mit seinen beiden Modellen R&S NGU messen Ströme vom Nanoampere- bis in den Amperebereich mit einem Sweep. Für die schnell wechselnden Lastbedingungen, wie für die erwähnten batteriebetriebenen Kommunikationsgeräte mit dem Wechsel zwischen Schlaf- und Sendemodus typisch sind, haben die Entwickler von Rohde & Schwarz die Regelkreise optimiert. Somit bietet die SMUs eine Lastausregelzeit von unter 30 µs bei einem geringen Überschwingen.

Sechs Strombereiche

Eine weitere Besonderheit sind die sechs Strombereiche von 10 µA mit einer Auflösung von 100 pA bis 10 A mit einer Auflösung von 10 µA. Für alle Bereiche lässt sich eine Genauigkeit von bis zu 0,025% erzielen. Die Spannung wird mit einer Auflösung von 10 µV im 20-V-Bereich und mit einer Auflösung von 1 µV im 6-V-Bereich gemessen.

Für das typische Messproblem der Kapazität am Eingang des Messobjekts verfügt die R&S NGU über einen in Schritten von 1 µF bis 470 µF einstellbaren variablen Kapazitätsmodus, der die Kapazität kompensiert. Damit wird der tatsächlich am Messobjekt anliegende Strom angezeigt. Messobjekte mit bis zu 20 V, 8 A und 60 W werden unterstützt. Die hohen Ströme, welche die SMU unterstützt, sind beispielsweise für Schnellladefunktionen in aktuellen Smartphone-Generationen Voraussetzung.

Die beiden Modelle im Überblick

Die beiden Source Measure Units R&S NGU201 und NGU401.
Die beiden Source Measure Units R&S NGU201 und NGU401.
(Bild: Rohde & Schwarz)

Das Zweiquadrantenmodell R&S NGU201 ist für die Analyse der Batterieentladung beliebiger batteriebetriebener Geräte wie Mobiltelefone, Tablets sowie IoT-Geräten jeder Art optimiert. Entwicklungsingenieure können damit reale Batterieeigenschaften simulieren. Einmal definierte Batteriemodelle können jederzeit wiederverwendet werden. Mit einem maximalen Strom von 8 A unterstützt das Instrument sogar Anwendungen mit schnellen Ladevorgängen.

Das Vierquadrantenmodell R&S NGU401 ist der Spezialist für Halbleitertests. Er bietet Messungen im Quell- und Lastbetrieb für Geräte im Bereich von –20 bis 20 V. Zusätzlich zur Spannungsregelung bei Netzgeräten bietet die R&S NGU eine schnelle Stromregelung, um eine Beschädigung strom-empfindlicher Messobjekte wie LEDs und anderer Halbleiterelemente zu vermeiden. Ein Anschluss für einen externen Arbiträrgenerator verwandelt die R&S NGU401 in eine Wechselspannungsquelle und ermöglicht die Simulation von Störspitzen oder instabilen Netzteilen bis zu 1 kHz.

Video: Die beiden SMU im Überblick

Kurze Störspitzen lassen sich aufspüren

Neben ihrer Grundfunktion als Versorgungs- und Messeinheiten bieten die beiden SMU-Modelle ausgeklügelte Funktionen, die in allen Spezialnetzgeräten von Rohde & Schwarz implementiert sind. Mit der Datenerfassungsrate von 500 kSample pro Sekunde, die mit der FastLog-Funktion erzielt wird, werden Spannungs- und Strompegel alle 2 μs erfasst, so dass selbst kürzeste intermittierende Störspitzen entdeckt werden. Mit dem optionalen integrierten Digitalvoltmeter lassen sich Spannungen an jedem Punkt des Messobjekts sowie die Eingangsspannung messen.

Unter Artikelfiles und Artikellinks finden Sie weitergehende Informationen der beiden Source Measure Units im Vergleich zu anderen Herstellern als PDF.

Artikelfiles und Artikellinks

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