Огляд
Зміст
- Що таке програмований блок живлення постійного струму?
- Режими постійної напруги та постійного струму
- Здійснюйте вимірювання за допомогою програмованого джерела живлення постійного струму
- Дистанційне виявлення
- Загальні технічні характеристики джерел живлення постійного струму
- Резюме
- Додаткові інструментальні ресурси
Що таке програмований блок живлення постійного струму?
Зазвичай використовується в дослідженнях, проектуванні, розробці та виробництві, джерело живлення постійного струму - це прилад, який може подавати живлення постійного струму на підключений пристрій. Пристрій, підключений до джерела живлення, може називатися навантаженням, випробовуваним пристроєм (DUT) або випробовуваним пристроєм (UUT), залежно від контексту. Щоб охарактеризувати DUT або перевірити, чи DUT працює, як очікувалося, кілька джерел живлення постійного струму мають можливість одночасно подавати живлення та вимірювати напругу або струм, що подаються DUT. Як правило, джерела живлення забезпечують постійний струм або постійну напругу і контролюють результуючу напругу або падіння струму. Програмований блок живлення постійного струму можна автоматизувати за допомогою ПК для зв'язку з пристроєм. Деякі програмовані джерела живлення постійного струму можуть зберігати вихідні послідовності або вимірювання у внутрішній пам'яті, тоді як інші можуть виконувати лише негайні дії.
Фігура 1. Багато джерел живлення постійного струму працюють в квадранті I, забезпечуючи позитивну напругу або позитивний струм, або в квадранті III, забезпечуючи негативну напругу і негативний струм.
Посилаючись на діаграму I-V на малюнку 1, більшість джерел живлення постійного струму працюють у квадранті I, забезпечуючи негативну напругу та позитивний струм, або квадрант III, забезпечуючи негативну напругу та негативний струм. Формула для розрахунку потужності постійного струму дорівнює P = V x I. У квадранті I напруга та струм додатні; в квадранті III напруга та струм від’ємні. В обох випадках при введенні чисел у формулу потужності виходить позитивна вихідна потужність, яка називається джерелом. При роботі в квадрантах II та IV результатом є негативна вихідна потужність, яка називається тонучим. При постачанні електроенергія генерується в джерелі живлення і розсіюється в ТЕЦ. При зануренні потужність генерується в DUT і розсіюється в подачі.
Деякі пристрої, які називаються одиницями вимірювання джерела (SMU), можуть працювати у всіх чотирьох квадрантах, подаючи та поглинаючи потужність. Вам може здатися, що SMU - це ідеальна акумуляторна батарея. Коли ви підключаєте акумулятор до зарядного пристрою, він заряджає або поглинає зарядний пристрій. Отже, коли ви від’єднуєте акумулятор від зарядного пристрою та використовуєте його для живлення ліхтарика, акумулятор стає джерелом, що забезпечує живлення лампочки. SMU зазвичай використовуються для характеристики батарей, сонячних батарей, джерел живлення, перетворювачів постійного струму чи інших пристроїв, що виробляють електроенергію.
Іншим фактором, що відрізняє джерело живлення постійного струму від SMU, є точність. Деякі програми особливо вимогливі і вимагають більшої точності, ніж типовий блок живлення. Для SMU зазвичай характерна висока точність в діапазоні µV або pA, саме тому їм часто надають перевагу, коли важлива точність джерела та виміряних значень, а застосування вимагає чутливості, більшої, ніж типовий джерело живлення. Точність детальніше обговорюється в технічній примітці Якість аналогової вибірки: Точність, чутливість та шум, і ви можете прочитати більше про SMU у статті Що таке одиниця вимірювання джерела?
Режими постійної напруги та постійного струму
На додаток до розуміння різниці між потужністю, що подає та поглинає, важливо також розуміти різницю між режимом постійної напруги та режимом постійного струму. Програмовані джерела живлення постійного струму можуть працювати як у режимі постійної напруги, так і в режимі постійного струму, залежно від бажаних рівнів виходу та умов зарядки.
Режим постійної напруги
У режимі постійної напруги, який іноді називають режимом регулювання напруги, блок живлення поводиться як джерело напруги, утримуючи напругу постійною на вихідних клемах, тоді як вихідний струм змінюється, залежно від умов навантаження. Якщо ваш опір навантаження змінюється, закон Ома (V = I x R) передбачає, що подаваний струм також повинен змінюватися пропорційно, щоб підтримувати рівень вихідної напруги джерела живлення. Якщо опір DUT раптово падає, то джерело живлення збільшує струм, щоб підтримувати постійну напругу.
Використовуючи програмований блок живлення постійного струму, ви можете встановити бажану межу струму. Якщо ваше навантаження намагається взяти більше струму, ніж дозволяє запрограмоване обмеження струму, тоді джерело живлення починає працювати відповідно, це означає, що блок живлення не може досягти необхідного рівня вихідної напруги, не порушуючи обмеження струму, запрограмоване користувачем на місці. В цей час джерело живлення переходить у режим постійного струму, і струм підтримується на границі струму. Цей основний рівень опору навантаження відомий як сумісний опір, який можна обчислити діленням базової точки напруги на межу струму. Інші загальноприйняті назви сумісного опору - критичний опір та опір кросоверу.
Наприклад, припустимо, ви хочете подати на ваш DUT постійну напругу 5 В (VS = 5 В), яка зазвичай забезпечує опір навантаження 50 Ом (RL = 50 Ом). Крім того, ви вирішили обмежити струм на виході до 300 мА (IS = 0,3 А), щоб запобігти пошкодженню DUT. Використовуючи сумісну формулу опору (RC = VS/IS), ви обчислюєте, що 16,67 Ом - це мінімальний опір навантаження для підтримки виходу, що працює в режимі постійної напруги. Якщо ваш опір навантаження коливається, але залишається вище 16,67 Ω, тоді ваш блок живлення продовжує забезпечувати постійну напругу 5 В. Якщо DUT виходить з ладу, опускаючи опір навантаження нижче 16,67 Ω, тоді джерело живлення починає працювати відповідно, перемикаючись на постійний струм режимі і виробляючи стабільний 300 мА при рівні напруги менше 5 В.
Малюнок 2. Виробляючи постійну напругу, ви можете встановити обмеження струму для захисту DUT.
Режим постійного струму
Режим постійного струму в основному протилежний режиму постійної напруги. У режимі постійного струму, також відомого як режим управління струмом, джерело живлення поводиться як джерело струму, зберігаючи струм, що протікає через вихідні клеми, постійним, тоді як вихідна напруга змінюється залежно від умов навантаження. Посилаючись на закон Ома, якщо ваш опір навантаження змінюється, тоді напруга повинна також змінюватися відповідним чином, щоб підтримувати постійний струм. Якщо DUT у попередньому прикладі виходить з ладу і спричиняє падіння опору навантаження, тоді джерело живлення пропорційно зменшує вихідну напругу, щоб підтримувати постійний струм. Наприклад, бажана робота постійного струму при контролі світлодіодів, які можуть бути пошкоджені сильним струмом.
Режим постійного струму також обмежується настроюваним обмеженням напруги, накладаючи сумісний опір, подібний до режиму постійної напруги. Ви можете використовувати той самий розрахунок, який використаний у розділі Режим постійної напруги, щоб розрахувати ваш сумісний опір для постійних поточних операцій. Однак для режиму постійного струму ваш опір навантаження повинен бути нижче сумісного опору, щоб підтримувати бажаний постійний струм. Рисунок 2 ілюструє концепцію сумісного резистора для режиму постійної напруги та режиму постійного струму.
Однією програмою, яка вимагає постійної напруги та постійного струму, є зарядка літій-іонної батареї, яка є поширеним типом акумуляторної батареї, яка використовується в портативних електронних пристроях через свою щільність енергії, відсутність ефекту пам'яті та повільну втрату заряду коли не використовується. Для підзарядки літій-іонної батареї джерело живлення повинен подавати постійний струм, контролювати рівень напруги акумулятора, поки акумулятор не досягне максимальної напруги. Як тільки літій-іонна батарея буде повністю заряджена, блок живлення повинен перейти в режим постійної напруги, який забезпечує мінімальний струм, необхідний для підтримки батареї на максимальній напрузі.
Здійснюйте вимірювання за допомогою програмованого джерела живлення постійного струму
Ключовою особливістю більшості програмованих джерел живлення постійного струму є можливість вимірювати струм і напругу, що генеруються. Ця характеристика є важливою для багатьох застосувань, таких як I-V крива, де падіння струму необхідно вимірювати для багатьох базових точок напруги. Операція вимірювання програмованого джерела живлення постійного струму подібна до вимірювальних можливостей цифрового мультиметра (DMM). Як і у будь-якого вимірювального пристрою, існує компроміс між швидкістю, з якою ви проводите вимірювання, і кількістю шуму в цих вимірах. Ключові поняття вимірювання включають точність, час відкриття, автоматичне обнулення, дистанційне зондування, діапазони введення, роздільну здатність та чутливість. Для отримання додаткової інформації з цих тем прочитайте технічні примітки Типи вимірювання DMM та загальна термінологія та аналогова якість вибірки: Точність, чутливість та шум, включені до серії Основи приладів.
Дистанційне виявлення
Проблема в точному постачанні та вимірюванні точних напруг полягає в впливі опору провідника на напругу, яку бачить DUT. Опір провідника присутній завжди, але може стати проблемою при використанні дуже довгих дротів меншого калібру. У таблиці 1 наведено типові опори для мідного дроту різних датчиків. Хоча, як правило, не більше декількох Ом, ці невеликі резистори можуть мати великий вплив на напругу, яку отримує DUT, особливо коли внутрішній опір DUT невеликий.
Таблиця 1. Опір дроту може мати великий вплив на напругу, яку отримує DUT.
На малюнку 3 показана загальна схема, що складається з приладу живлення, провідних проводів і DUT. У цьому випадку провідники являють собою мідні дроти довжиною 24 фути 26 AWG, з опором провідника приблизно 1 Ом для позитивного і негативного проводів, що з'єднують джерело живлення з DUT. Струм, що виходить з джерела живлення, спричиняє падіння напруги на Rlead1 та Rlead2, внаслідок чого напруга на RDUT менше, ніж Vsource.
Малюнок 3. Це показує приклад схеми підключення типового програмованого джерела живлення постійного струму, який можна використовувати для розрахунку напруги, яку отримує DUT.
Припускаючи, що для джерела живлення призначений вихід 5 В, а DUT має імпеданс 1 кОм, ви можете розрахувати фактичну напругу, видно на клемах DUT, використовуючи таке рівняння.
Для початкового випадку спостережувана напруга насправді становить 4,99 В. Для деяких пристроїв ця невелика зміна не є проблемою; однак для програм, які потребують точної характеристики на основі робочої напруги, ця помилка може стати критичною. Крім того, для пристроїв, які мають менший вхідний опір і, отже, подають велику кількість струму, фактична напруга на ТВ може бути істотно менше напруги на виході джерела живлення. У таблиці 2 перелічені значення, які виявляє приклад DUT на основі нижчих значень його вхідного опору.
Таблиця 2. Для пристроїв з меншим вхідним імпедансом напруга, що спостерігається на DUT, може бути істотно нижче напруги на виході джерела живлення через опір провідника.
Рішенням для індукованої похибки напруги опору є дистанційне зондування, також відоме як 4-провідне зондування. Ця методика представляє падіння напруги на опорі провідника шляхом вимірювання напруги безпосередньо на ТРУ та відповідної компенсації. Цей метод подібний до того, як DMM проводять вимірювання опору 4 дроту, щоб виключити вплив опору провідника від вимірювань опору. Більшість джерел живлення, SMU та DMM мають два додаткові термінали на виході, що дозволяють використовувати цю 4-провідну техніку дистанційного зондування, і ці додаткові термінали підключені безпосередньо до DUT, як показано на малюнку 4. Хоча опір все ще існує на кабелях, що використовуються для дистанційного вимірювання, вимірювання напруги мають високий імпеданс, отже, струм не протікає через кабелі зондування і падіння напруги не виявляється.
Малюнок 4. Дистанційне зондування - це 4-провідна техніка підключення, яка може усунути наслідки опору провідника .