Ce este o sursă de alimentare programabilă DC?

Utilizată în mod obișnuit în aplicații de cercetare, proiectare, dezvoltare și producție, o sursă de alimentare cu curent continuu este un instrument care poate genera curent continuu la un dispozitiv conectat. Un dispozitiv conectat la o sursă de alimentare poate fi referit ca o sarcină, dispozitiv testat (DUT) sau unitate testată (UUT), în funcție de context. Pentru a caracteriza un DUT sau a testa dacă un DUT funcționează așa cum era de așteptat, multe surse de alimentare cu curent continuu au capacitatea de a livra simultan puterea și de a măsura tensiunea sau curentul consumat de DUT. În mod tipic, sursele de alimentare furnizează o tensiune constantă sau curent constant și monitorizează căderea de tensiune rezultată sau consumul curentului.

O sursă de alimentare DC programabilă poate fi automatizată utilizând un computer pentru a comunica cu dispozitivul. Unele surse de alimentare DC programabile pot stoca secvențe de ieșire sau măsurători în memoria internă, în timp ce altele se pot ocupa doar de acțiuni imediate.

Figura 1. Majoritatea surselor de alimentare DC funcționează în cadranul I, asigurând o tensiune pozitivă și curent pozitiv
sau cadranul III, furnizând tensiune negativă și curent negativ.

Referindu-se la diagrama I-V din figura 1, majoritatea surselor de curent continuu funcționează în Quadrant I, furnizând tensiune pozitivă și curent pozitiv sau Quadrant III, furnizând tensiune negativă și curent negativ. Formula pentru calculul puterii DC este P = V x I. În Cadranul I, tensiunea și curentul sunt ambele pozitive; în Cadranul III, tensiunea și curentul sunt ambele negative. În ambele cazuri, formulele de putere au ca rezultat o putere de ieșire pozitivă, care se numește sourcing. Funcționând în Quadrant II și IV rezultă o putere de ieșire negativă, care se numește sinking. Când e sourcing, energia este generată în alimentare și se disipează în DUT. Când e sinking, energia este generată în DUT și se disipează în alimentarea cu energie.

Unele dispozitive numite unități sursă de măsură (SMU) pot funcționa în toate cele patru cadrane, putere sourcing și sinking. Vă puteți gândi la un SMU ca la o baterie reîncărcabilă ideală. Când conectați bateria la încărcător, bateria trage (sinking) putere de la încărcător. Apoi, atunci când deconectați bateria de la încărcător și o folosiți pentru alimentarea unei lanterne, acumulatorul devine o sursă (sourcing) care asigură alimentarea becului. SMU-urile sunt frecvent utilizate pentru a caracteriza bateriile, celulele solare, sursele de alimentare, convertoarele DC-DC sau alte dispozitive generatoare de energie.

Un alt factor de diferențiere între o sursă de alimentare DC și un SMU este precizia. Unele aplicații sunt deosebit de solicitante și necesită o precizie mai mare decât oferta tipică de alimentare. Este comun ca SMU să aibă o mare precizie în gama μV sau pA, motiv pentru care sunt adesea preferate atunci când precizia valorilor livrate și măsurate este importantă și aplicația necesită o sensibilitate mai mare decât cea a unei surse de alimentare tipice.

Moduri Tensiune constantă și Curent constant

Pe lângă înțelegerea diferențelor dintre puterea sourcing și puterea sinking, este de asemenea important să înțelegeți diferența dintre modul de tensiune constantă și modul de curent constant. Sursa de alimentare DC programabilă poate funcționa fie în modul de tensiune constantă, fie în modul de curent constant, în funcție de nivelele de ieșire dorite și de condițiile de sarcină.

a. Modul Tensiune constantă

În modul tensiune constantă, care este denumit uneori mod de tensiune controlată, o sursă de alimentare se comportă ca o sursă de tensiune, menținând constant tensiunea la bornele de ieșire, în timp ce curentul de ieșire variază, în funcție de condițiile de sarcină. Dacă se modifică rezistența de sarcină, legea lui Ohm (V = I x R) dictează modificarea curentului furnizat, proporțional pentru a menține nivelul tensiunii de ieșire a sursei de alimentare. Dacă rezistența DUT brusc scade, atunci sursa de alimentare mărește curentul pentru a menține constantă tensiunea.

Când utilizați o sursă de alimentare DC programabilă, puteți seta limita de curent dorită. Dacă sarcina dvs. încearcă să absoarbă mai mult curent decât permite limita de curent programată, atunci sursa de alimentare începe să funcționeze în conformitate, ceea ce înseamnă că sursa de alimentare nu poate atinge nivelul tensiunii de ieșire solicitate fără a încălca limita de curent programată de utilizator. În acest moment, sursa de alimentare se comută în modul curent constant, iar curentul este menținut la limita lui. Această rezistență de sarcină pivotantă este denumită rezistență de conformitate, care poate fi calculată prin împărțirea valorii de referință a tensiunii la limita curentului. Alte denumiri comune pentru rezistența de conformitate sunt rezistența critică și rezistența crossover.

De exemplu, să presupunem că doriți să furnizați un 5 V constant (VS = 5 V) la DUT, care de obicei asigură o rezistență de sarcină de 50Ω (RL = 50Ω). În plus, decideți să limitați ieșirea curentului la 300 mA (IS = 0,3 A) pentru a preveni deteriorarea DUT. Folosind formula rezistenței de conformitate (RC = VS/IS), calculați că 16,67 Ω este rezistența minimă de sarcină pentru a menține puterea de ieșire în modul de tensiune constantă. Dacă rezistența de sarcină fluctuează, dar rămâne peste 16,67 Ω, atunci sursa de alimentare continuă să furnizeze 5 V constant. Dacă DUT nu reușește, scăzând rezistența de sarcină sub 16,67 Ω, alimentarea cu energie începe să funcționeze în conformitate, comutând la modul de curent constant și furnizarea unui curent constant de 300 mA la un nivel de tensiune mai mic de 5 V.

Figura 2. Când furnizați o tensiune constantă,
puteți seta o limită de curent pentru a proteja DUT.

b. Modul Curent constant

Modul curent constant este, în esență, opusul modului tensiune constantă. În modul curent constant, cunoscut și ca mod de curent-controlat, sursa de alimentare se comportă ca o sursă de curent, menținând constant curentul care iese prin bornele de ieșire, în timp ce tensiunea de ieșire variază în funcție de condițiile de sarcină. Referindu-se la legea lui Ohm, dacă rezistența de sarcină variază, atunci tensiunea trebuie să varieze în mod corespunzător pentru a menține un curent constant. Dacă DUT din exemplul anterior nu reușește și determină scăderea rezistenței de sarcină, sursa de alimentare scade proporțional tensiunea de ieșire pentru a menține curentul constant. De exemplu, funcționarea cu curent constant este de dorit atunci când se comandă LED-uri care pot fi deteriorate de curentul mare.

Modul curent constant este de asemenea limitat de o limită de tensiune configurabilă, impunând o rezistență de conformitate similară modului tensiune constantă. Puteți utiliza același calcul utilizat în secțiunea Mod tensiune constantă pentru a calcula rezistența de conformitate pentru operațiunile cu curent constant. Însă, pentru modul curent constant, rezistența dvs. la sarcină trebuie să rămână sub rezistența de conformitate pentru a menține curentul constant dorit. Figura 2 ilustrează conceptul de rezistență de conformitate atât pentru modul tensiune constantă, cât și pentru modul curent constant.

O aplicație unică care necesită funcționare la tensiune constantă și curent constant este încărcarea unei baterii litiu-ion, care este un tip obișnuit de baterie reîncărcabilă care este utilizată în electronica portabilă datorită densității energetice, lipsei efectului de memorie și pierderii lente de sarcină atunci când nu este utilizată. Pentru a reîncărca o baterie litiu-ion, sursa de alimentare trebuie să aplice un curent constant, monitorizând nivelul tensiunii bateriei până când bateria atinge valoarea ei maximă de tensiune. După ce bateria litiu-ion este complet încărcată, sursa de alimentare trebuie să treacă la modul de tensiune constantă, care asigură curentul minim necesar pentru a ține bateria la tensiunea maximă.

Efectuarea măsurărilor cu o sursă de alimentare DC programabilă

O caracteristică cheie pentru cele mai multe surse de alimentare DC programabile este capacitatea de a măsura curentul și tensiunea generate. Această caracteristică este esențială pentru multe aplicații, cum ar fi urmărirea curbelor I-V, unde consumul de curent trebuie măsurat pentru mai multe valori de tensiune setate. Funcția de măsurare a unei alimentări DC programabile este similară cu capacitatea de măsurare a unui multimetru digital (DMM). Ca și în cazul oricărui dispozitiv de măsurare, există un compromis între viteza cu care efectuați măsurătorile și cantitatea de zgomot din acele măsurători. Conceptele cheie de măsurare includ acuratețea, timpul de deschidere, auto-zero-ul, protecția, teledetecția, gamele de intrare, rezoluția și sensibilitatea.

Teledetecția (Remote Sense)

O provocare în furnizarea exactă sau măsurarea precisă a tensiunilor este efectul pe care rezistența legăturilor îl are asupra tensiunii pe care un DUT o vede. Rezistența legăturilor este întotdeauna prezentă, dar poate deveni problematică atunci când se utilizează fire foarte lungi, cu ecartament mic. Tabelul 1 prezintă rezistențele tipice ale diferitelor indicatoare ale firului de cupru. Deși nu sunt mai mari decât câțiva ohmi, aceste rezistențe mici pot avea un efect mare asupra tensiunii pe care un DUT o primește, mai ales atunci când rezistența internă a DUT este mică.

Tabelul 1. Rezistența legăturilor din sârmă poate avea o influență mare asupra tensiunii pe care o primește DUT.

Figura 3 prezintă o diagramă a unui circuit generic care constă dintr-un instrument furnizor de alimentare, fire de legătură și un DUT. În acest caz, cablurile sunt sârme de cupru 26 AWG cu lungime de 24 de picioare, cu o rezistență a legăturilor rezultată de aproximativ 1 Ω atât pentru firele de legătură pozitive, cât și pentru cele negative care conectează sursa de alimentare la DUT. Curentul care iese din sursa de alimentare determină o cădere de tensiune pe Rlead1 și Rlead2, rezultând o tensiune pe RDUT mai mică decât Vsursă.

Figura 3. Aceasta arată o schemă de conexiune exemplu pentru o sursă de putere DC programabilă tipică
care poate fi utilizată pentru a calcula tensiunea pe care o primește DUT.

Presupunând că sursa de alimentare este setată la o ieșire de 5 V și că DUT are o impedanță de 1 kΩ, puteți calcula tensiunea reală văzută la bornele DUT utilizând următoarea ecuație.

Pentru cazul inițial, tensiunea observată este de fapt doar 4,99 V. Pentru unele dispozitive, această mică schimbare nu este o problemă; totuși, pentru aplicațiile care necesită o caracterizare precisă pe baza tensiunii de operare, această eroare poate deveni critică. În plus, pentru dispozitivele care au impedanțe de intrare mai mici și, prin urmare, consumă un curent mare, tensiunea reală la DUT poate fi substanțial mai mică decât tensiunea la ieșirea sursei de alimentare. Tabelul 2 prezintă valorile pe care le vede DUT pe baza valorilor mai mici ale impedanței sale de intrare.

Tabelul 2. Pentru dispozitive cu impedanțe mai mici de intrare, tensiunea observată la DUT poate fi substanțial mai mică
decât tensiunea la ieșirea de alimentare, datorită rezistenței legăturilor.

Soluția la eroarea de tensiune indusă de rezistența legăturilor este detectarea la distanță, cunoscută și sub denumirea de detectare cu 4 fire. Această tehnică ține cont de căderea de tensiune pe rezistența legăturilor prin măsurarea tensiunii direct la DUT și compensarea corespunzătoare. Această metodă este similară modului în care DMM-urile efectuează măsurători de rezistență cu 4 fire pentru a elimina efectul rezistenței legăturilor din măsurătorile de rezistență. Cele mai multe surse de alimentare, SMU și DMM, au două terminale suplimentare pe ieșire pentru a permite această tehnică de teledetecție cu 4 fire și aceste terminale suplimentare sunt conectate direct la DUT, așa cum se arată în figura 4. Deși rezistența legăturilor este încă în firele folosite pentru teledetecție, măsurătorile de tensiune sunt impedanță ridicată astfel încât curentul nu trece prin firele de detecție și nu se observă o cădere de tensiune.

Figura 4. Teledetecția este o tehnică de conectare cu 4 fire care poate elimina efectele rezistenței legăturilor

Specificațiile comune ale surselor de alimentare DC

a. Ripple și zgomot

Atunci când se analizează ce sursă de alimentare DC programabilă se utilizează în aplicația dvs., este important să se țină cont de ripple și zgomotul de ieșire, uneori numit deviație periodică și aleatoare (PARD). Adevăratul zgomot este aleator și este răspândit pe toate frecvențele atunci când este privit în domeniul frecvență, în timp ce ripple este tipic periodic. Ripple este introdus prin redresarea AC-DC necesară pentru a converti tensiunea de alimentare AC de la priza de perete la nivelele DC dorite. În funcție de tipul de reglaj utilizat de o sursă de alimentare, ripple are una sau două frecvențe fundamentale.

Sursa de curent continuu utilizează în mod obișnuit reglare liniară sau în comutație pentru a converti sursa de alimentare de 50/60 Hz la un semnal de alimentare DC. Sursele de alimentare cu reglare liniară utilizează un transformator AC-DC pentru a transforma tensiunea de linie într-o ieșire stabilă de curent continuu. Prin urmare, tensiunea de ieșire a unei surse de alimentare cu reglare liniară are, în general, un ripple de frecvență joasă de 50/60 Hz în plus la orice prezență suplimentară de zgomot. Sursele de alimentare reglate liniar au în mod obișnuit un ripple și un zgomot reduse, dar au și eficiență scăzută, dimensiuni mari și produc mai multă căldură. Pe de altă parte, sursele de alimentare în comutație convertesc curentul de 50/60 Hz la o frecvență mult mai mare, rezultând în câteva perioade, ripple de înaltă frecvență, în plus la ripple de frecvența joasă de 50/60 Hz.

Sursele de alimentare în comutație sunt de obicei mai compacte, produc mai puțină căldură și sunt mai eficiente, dar sunt foarte susceptibile la zgomot de înaltă frecvență. Figura 5 prezintă o ilustrare a unei ripple de înaltă frecvență și a zgomotului aleator.

Figura 5. În sursele de alimentare, zgomotul este în mod obișnuit aleator și răspândit peste toate frecvențele, în timp ce ripple este periodic.

În plus, transmisiile de la sursele programabile de alimentare DC pot fi afectate de zgomotul ambiental, care se adaugă la orice zgomot inerent al sistemului. Pentru a reduce efectele zgomotului din mediul înconjurător, este important să folosiți, dacă este posibil, fire răsucite perechi, ecranate.

b. Timpul de creștere și timpul de stabilizare

Timpul de creștere și timpul de stabilizare sunt indicatori cheie ai capacității sursei de alimentare de a atinge nivelul de tensiune dorit și de a se stabiliza. În mod specific, timpul de creștere este timpul necesar pentru ieșire să treacă de la 10% la 90% din ieșirea configurată. Timpul de stabilizare descrie timpul necesar pentru ca un canal de ieșire să se stabilizeze într-un procent specificat din valoarea sa finală, inclusiv timpul de creștere. Figura 6 ilustrează atât timpul de creștere, cât și timpul de stabilizare pentru o ieșire de alimentare variind de la 0 V la 10 V.

Figura 6. Timpul de creștere și timpul de stabilizare sunt indicatori-cheie ai capacității sursei de alimentare
de a atinge nivelul de tensiune dorit și a se stabiliza.

Timpul de creștere și timpul de stabilizare sunt specificații importante pentru sursele de alimentare, deoarece pot afecta în mod direct timpul de măsurare, necesitând un timp suplimentar pentru a aștepta revenirea circuitului de la starea tranzitorie înainte de a putea efectua următoarea măsurare. Timpul de măsurare este deosebit de important pentru situații, cum ar fi sistemele automate de testare, unde reducerea timpului de măsurare poate, de asemenea, să vă reducă costul total.

c. Răspuns tranzitoriu

Un răspuns tranzitoriu descrie de obicei răspunsul unui sistem la o schimbare de la echilibru. Pentru o sursă de curent continuu, răspunsul tranzitoriu descrie modul în care o sursă de alimentare care funcționează în modul tensiune constantă răspunde la o schimbare bruscă a curentului de sarcină. Modificările curentului de sarcină, cum ar fi un impuls de curent, pot provoca tranziții de tensiune mari, după cum se arată în figura 7.

Deoarece circuitul de comandă intern al sursei de alimentare compensează modificarea curentului de sarcină, tensiunea se reglează înapoi la nivelul dorit. Răspunsul tranzitoriu al unei surse de alimentare specifică cât timp este nevoie ca tranzițiile să revină la un anumit procent din setarea de tensiune. În mod tipic, răspunsul tranzitoriu este specificat ca fiind timpul necesar să revină la un procent din valoarea de referință a tensiunii după o schimbare de 50% a curentului de sarcină. De exemplu, un dispozitiv ar putea fi capabil să revină până la 0,1% din valoarea de referință inițială de tensiune în interval de 50 μs după o schimbare de 50% a curentului de sarcină.

Figura 7. Răspuns tranzitoriu la un impuls de curent

Având în vedere o aplicație, în cazul în care rezistența DUT-ului scade brusc, provocând apariția unui impuls de curent, atunci se produce o scădere a tensiunii tranzitorii înainte ca circuitul de comandă intern al sursei de alimentare să poată compensa schimbarea sarcinii. Similar cu timpul de creștere și de stabilizare, specificația răspunsului tranzitoriu al unei surse de alimentare este importantă deoarece poate afecta timpul de măsurare.

d. Izolare

Izolarea este un mijloc de separare fizică și electrică a două părți ale unui dispozitiv de măsurare sau de alimentare. Izolarea electrică se referă la eliminarea căilor de masă dintre două sisteme electrice. Prin asigurarea izolației electrice, puteți întrerupe buclele de masă, puteți crește gama de mod-comun a alimentării cu energie electrică și puteți schimba nivelul de referință al masei semnalului la o singură masă de sistem.

Specificațiile de izolare ale surselor de alimentare sunt deosebit de importante, dacă aveți în vedere legarea în cascadă a ieșirilor unei surse de alimentare pentru a extinde gamele de tensiune și curent.

Topologia cea mai robustă de izolare este izolarea canal cu canal. În această topologie, fiecare canal este izolat individual unul de celălalt și de alte componente de sistem neizolate. În plus, fiecare canal are propria sursă izolată de alimentare.

Rezumat

■ Frecvent utilizate în cercetare, proiectare, dezvoltare și aplicații de producție, o sursă de alimentare DC programabilă este un instrument care poate furniza energie la un dispozitiv conectat.

■ Când e sourcing, puterea este generată în alimentare și se disipează în DUT. Când e sinking, energia este generată în DUT și se disipează în alimentarea cu energie.

■ Sursele de alimentare DC funcționează în Cadranul I sau III. SMU-urile lucrează în toate cele patru cadrane.

■ Sursele de alimentare DC programabile pot funcționa fie în modul tensiune constantă, fie în modul curent constant.

■ În modul tensiune constantă, o sursă de alimentare se comportă ca o sursă de tensiune, menținând constantă tensiunea pe bornele de ieșire în timp ce curentul de ieșire variază.

■ În modul curent constant, sursa de alimentare se comportă ca o sursă de curent, menținând curentul constant în timp ce tensiunea de ieșire variază.

■ Dacă o sarcină depășește o rezistență de conformitate și depășește limita de curent sau de tensiune, atunci alimentarea cu energie începe să funcționeze în conformitate.

■ Teledetecția este o tehnică de conexiune cu 4 fire care poate elimina efectele rezistenței legăturilor.

■ Ripple este un tip de zgomot periodic care rezultă din redresarea AC-DC necesară pentru a converti tensiunea de alimentare de la priza de perete la nivelele DC dorite.

■ Timpul de creștere și timpul de stabilizare sunt indicatori cheie ai capacității sursei de alimentare de a atinge nivelul de tensiune dorit și de a se stabiliza.

■ Răspunsul tranzitoriu descrie modul în care o sursă de alimentare care funcționează în modul tensiune constantă răspunde la o schimbare bruscă a curentului de sarcină.

■ Prin asigurarea izolației electrice, puteți întrerupe buclele de masă, puteți mări gama de mod-comun a sursei de alimentare și puteți schimba referința de masă a semnalului la o singură masă de sistem.