Общ преглед
Съдържание
- Какво е програмируемо DC захранване?
- Постоянно напрежение и режими на постоянен ток
- Правете измервания с програмируемо DC захранване
- Отдалечено откриване
- Общи спецификации на захранванията с постоянен ток
- Обобщение
- Допълнителни инструментални ресурси
Какво е програмируемо DC захранване?
Често използван в изследвания, проектиране, разработване и производство, постояннотоковото захранване е инструмент, който може да доставя постояннотоково захранване към свързано устройство. Устройство, свързано към източник на захранване, може да бъде посочено като товар, тествано устройство (DUT) или тествано устройство (UUT), в зависимост от контекста. За да се характеризира DUT или да се тества дали DUT работи, както се очаква, множество DC захранвания имат способността едновременно да захранват и да измерват напрежението или тока, изтеглени от DUT. Обикновено захранващите устройства осигуряват постоянен ток или постоянно напрежение и следят полученото напрежение или спад на тока. Програмируемото DC захранване може да се автоматизира с помощта на компютър за комуникация с устройството. Някои програмируеми DC захранвания могат да съхраняват изходни последователности или измервания във вградената памет, докато други могат да се справят само с незабавни действия.
Фигура 1. Много от DC захранващите устройства работят в квадрант I, осигурявайки положително напрежение или положителен ток или в квадрант III, осигурявайки отрицателно напрежение и отрицателен ток.
Позовавайки се на диаграмата I-V на фигура 1, повечето захранващи устройства с постоянен ток работят в квадрант I, осигуряващ отрицателно напрежение и положителен ток, или квадрант III, осигуряващ отрицателно напрежение и отрицателен ток. Формулата за изчисляване на постояннотоковата мощност е P = V x I. В квадрант I напрежението и токът са положителни; в квадрант III напрежението и токът са отрицателни. И в двата случая, при въвеждане на числата във формулата на мощността, резултатът е положителна изходна мощност, която се нарича източник. При работа в квадрант II и IV резултатът е отрицателна изходна мощност, която се нарича потъване. При снабдяване, мощността се генерира в захранването и се разсейва в DUT. При потъване мощността се генерира в DUT и се разсейва в захранването.
Някои устройства, наречени източници за измерване (SMU), могат да работят във всичките четири квадранта, доставяйки и поглъщайки мощност. Може би си мислите, че SMU е идеална акумулаторна батерия. Когато свържете батерията към зарядното устройство, батерията черпи или абсорбира захранването от зарядното устройство. Така че, когато изключите батерията от зарядното устройство и я използвате за захранване на фенерче, батерията се превръща в източник, който осигурява захранване на крушката. SMU обикновено се използват за характеризиране на батерии, слънчеви клетки, захранвания, DC-DC преобразуватели или други устройства за генериране на енергия.
Друг диференциращ фактор между DC захранването и SMU е точността. Някои приложения са особено взискателни и изискват по-голяма точност от това, което може да предложи типичното захранване. Обикновено SMUs имат висока точност в µV или pA диапазон, поради което те често се предпочитат, когато точността на източника и измерените стойности е важна и приложението изисква чувствителност, по-голяма от тази на типично захранване. Точността е обсъдена по-подробно в техническата бележка Аналогово качество на вземане на проби: Точност, чувствителност и шум и можете да прочетете повече за SMUs в Какво е единица за измерване на източника (SMU)?
Постоянно напрежение и режими на постоянен ток
В допълнение към разбирането на разликите между захранващата и поглъщащата мощност, важно е също така да разберете разликата между режима на постоянно напрежение и режима на постоянен ток. Програмируемите DC захранвания могат да работят в режим на постоянно напрежение или постоянен ток, в зависимост от желаните нива на изход и условия на зареждане.
Режим на постоянно напрежение
В режим на постоянно напрежение, който понякога се нарича режим на контролирано напрежение, захранването се държи като източник на напрежение, поддържайки напрежението постоянно на изходните клеми, докато изходният ток варира в зависимост от условията на натоварване. Ако вашето съпротивление на натоварване се промени, законът на Ом (V = I x R) предвижда, че подаваният ток също трябва да се промени пропорционално, за да се поддържа нивото на изходното напрежение на захранването. Ако съпротивлението на DUT внезапно падне, тогава захранването увеличава тока, за да поддържа напрежението постоянно.
Използвайки програмируемо DC захранване, можете да зададете желаната токова граница. Ако вашият товар се опитва да изтегли повече ток, отколкото програмираният лимит на тока позволява, тогава захранването започва да работи съответно, което означава, че захранването не може да достигне необходимото ниво на изходното напрежение, без да наруши ограничението на тока, програмирано от потребителя на място. По това време захранването преминава в режим на постоянен ток и токът се поддържа на текущата граница. Това основно ниво на устойчивост на натоварване е известно като съвместимо съпротивление, което може да бъде изчислено чрез разделяне на базовата точка на напрежението на текущата граница. Други често срещани имена за съвместимо съпротивление са критичното съпротивление и съпротивлението при кръстосване.
Да предположим например, че искате да подадете константа от 5 V (VS = 5 V) към вашия DUT, което обикновено осигурява съпротивление на натоварване от 50 Ω (RL = 50 Ω). Също така решавате да ограничите токовия изход до 300 mA (IS = 0,3 A), за да предотвратите повреда на DUT. Използвайки формулата за съвместимо съпротивление (RC = VS/IS), изчислявате, че 16,67 Ω е минималното съпротивление на натоварване за поддържане на изхода, работещ в режим на постоянно напрежение. Ако вашето съпротивление на натоварване се колебае, но остава над 16,67 Ω, тогава вашето захранване продължава да осигурява постоянна 5 V. Ако DUT не успее, падайки съпротивлението на натоварване под 16,67 Ω, тогава захранването започва да работи по съответния начин, превключвайки на постоянен ток режим и произвежда стабилни 300 mA при ниво на напрежение по-малко от 5 V.
Фигура 2. Чрез генериране на постоянно напрежение можете да зададете ограничение на тока, за да защитите DUT.
Режим на постоянен ток
Режимът на постоянен ток е по принцип противоположен на режима с постоянно напрежение. В режим на постоянен ток, известен също като режим на контролиран ток, захранването се държи като източник на ток, поддържайки тока, протичащ през изходните клеми, постоянен, докато изходното напрежение варира в зависимост от условията на натоварване. Позовавайки се на закона на Ом, ако вашето съпротивление на натоварване се промени, напрежението също трябва да се промени по подходящ начин, за да се поддържа постоянен ток. Ако DUT в предишния пример не успее и причини съпротивлението на товара да спадне, тогава захранването намалява пропорционално изходното напрежение, за да поддържа тока постоянен. Например, постоянният токов режим е желателен при управление на светодиоди, които могат да бъдат повредени от висок ток.
Режимът на постоянен ток също е ограничен от конфигурируема граница на напрежението, налагайки съвместимо съпротивление, подобно на режима с постоянно напрежение. Можете да използвате същото изчисление, използвано в раздела Режим на постоянното напрежение, за да изчислите вашето съвместимо съпротивление при операции с постоянен ток. Въпреки това, за режим с постоянен ток, вашето съпротивление на натоварване трябва да се поддържа под съвместимо съпротивление, за да се поддържа желаният постоянен ток. Фигура 2 илюстрира концепцията за съвместим резистор за режим на постоянно напрежение и режим на постоянен ток.
Едно приложение, което изисква постоянно напрежение и постоянен ток, е зареждането на литиево-йонна батерия, която е често срещан тип акумулаторна батерия, която се използва в преносими електронни устройства поради своята енергийна плътност, липса на ефект на паметта и бавна загуба на заряд когато не се използва. За да презаредите литиево-йонна батерия, захранването трябва да прилага постоянен ток, като следи нивото на напрежението на батерията, докато батерията достигне максималното си напрежение. След като литиево-йонната батерия е напълно заредена, захранването трябва да премине в режим на постоянно напрежение, което осигурява минималния ток, необходим за поддържане на батерията на максималното си напрежение.
Правете измервания с програмируемо DC захранване
Ключова характеристика на повечето програмируеми DC захранвания е възможността за измерване на генерирания ток и напрежение. Тази характеристика е от съществено значение за много приложения като I-V крива, където спадът на тока трябва да бъде измерен за множество базови точки на напрежението. Измервателната операция на програмируемо постояннотоково захранване е подобна на измервателните способности на цифров мултиметър (DMM). Както при всяко измервателно устройство, има компромис между скоростта, с която правите измервания, и количеството шум при тези измервания. Основните концепции за измерване включват точност, отворено време, автоматично нулиране, дистанционно наблюдение, входни диапазони, разделителна способност и чувствителност. За повече информация по тези теми прочетете техническите бележки Видове измерване на DMM и Обща терминология и Качество на аналогово вземане на проби: Точност, чувствителност и шум, включени в поредицата Основи на инструмента.
Отдалечено откриване
Предизвикателство при точното подаване и измерване на точните напрежения е ефектът, който съпротивлението на проводника има към напрежението, наблюдавано от DUT. Съпротивлението на проводника винаги е налице, но може да се превърне в проблем при използване на много дълги проводници с по-малък габарит. Таблица 1 предоставя типични съпротивления за медна тел с различни габарити. Въпреки че обикновено не повече от няколко ома, тези малки резистори могат да имат голям ефект върху напрежението, което DUT получава, особено когато вътрешното съпротивление на DUT е малко.
маса 1. Съпротивлението на проводника може да има голям ефект върху напрежението, което DUT получава.
Фигура 3 показва обща електрическа схема, състояща се от инструмент за захранване, оловни проводници и DUT. В този случай проводниците са медни проводници с дължина 24 фута 26 AWG и съпротивление на проводника приблизително 1 Ω за положителните и отрицателните проводници, свързващи източника на захранване към DUT. Токът, излизащ от захранването, води до спадане на напрежението в Rlead1 и Rlead2, което се дължи на това, че напрежението в RDUT е по-малко от Vsource.
Фигура 3. Това показва пример за схема на свързване за типично програмируемо DC захранване, което може да се използва за изчисляване на напрежението, което DUT получава.
Ако приемем, че на захранването е присвоен 5 V изход и DUT има импеданс 1 kΩ, можете да изчислите действителното напрежение, видяно на DUT клемите, като използвате следното уравнение.
За първоначалния случай наблюдаваното напрежение всъщност е 4,99 V. За някои устройства тази малка промяна не е проблем; обаче за приложения, които изискват точно характеризиране въз основа на работното напрежение, тази грешка може да стане критична. Също така, за устройства, които имат по-ниски входни импеданси и следователно текат голямо количество ток, действителното напрежение на DUT може да бъде значително по-малко от напрежението на изхода на захранването. Таблица 2 изброява стойностите, които примерният DUT открива въз основа на по-ниски стойности на своя входен импеданс.
Таблица 2. За устройства с по-ниски входни импеданси, напрежението, наблюдавано на DUT, може да бъде значително по-ниско от напрежението на изхода на захранването поради съпротивлението на проводника.
Решението за индуцирана грешка на напрежението на съпротивлението е дистанционно наблюдение, известно още като 4-жично засичане. Тази техника представлява спад на напрежението в съпротивлението на проводника чрез измерване на напрежението директно в DUT и съответно компенсиране. Този метод е подобен на начина, по който DMM извършват 4-проводни измервания на съпротивление, за да елиминират ефекта на съпротивлението на проводника от измерванията на съпротивлението. Повечето захранващи устройства, SMU и DMM имат два допълнителни терминала на изхода, за да позволят тази 4-жична техника на дистанционно наблюдение и тези допълнителни терминали са свързани директно към DUT, както е показано на Фигура 4. Въпреки че съпротивлението все още съществува основно на кабели, използвани за дистанционно наблюдение, измерванията на напрежението са с висок импеданс, така че през сензорните кабели не протича ток и не се открива спад на напрежението.
Фигура 4. Дистанционното засичане е 4-жична техника на свързване, която може да елиминира ефектите на съпротивлението на проводника .