Hohe Ströme messen und einspeisen

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Vierdraht-(Kelvin)-Messungen

Vierdraht-(Kelvin)-Messungen

Vierdraht (Kelvin)-Messungen sind notwendig, wenn Tests mit hohen Strömen ausgeführt werden, weil mit diesem Verfahren der Spannungsabfall in den Messleitungen kompensiert werden kann. Dabei werden zwei sehr hochohmige Spannungsmessleitungen mit dem Testobjekt verbunden. Da nur ein sehr geringer Strom durch die Messleitungen fließt, entspricht die über die Messleitungen erfasste Spannung ziemlich genau der Spannung über dem unbekannten Widerstand.

Bei einem Strom von 40 A kann bereits ein kleiner Widerstand, wie beispielsweise 10 mΩ im Prüfkabel, einen Spannungsabfall von 0,4 V verursachen. Wenn die SMU eine Spannung von 1 V und einen Strom von 40 A ausgibt und der Kabelwiderstand 10 mΩ in jeder der beiden Messleitungen beträgt, dann kommt am Testobjekt nur noch eine Spannung von 0,2 V an, wobei über den Prüfkabeln 0,8 V abfallen.

Im Gegensatz zu einer Quellenrücklesefunktion, die sich hauptsächlich auf die Quellenwerte auswirkt, ermöglicht eine Vierdraht-Messung eine merklich höhere Genauigkeit. Dies gilt sowohl für den eingespeisten Wert, als auch für den Messwert, da der Spannungsabfall in den stromführenden Leitungen kompensiert wird und so nicht mehr die Messung beeinflusst.

Nicht mehr als eine Spannungsquelle pro Knotenpunkt

Nicht mehr als eine Spannungsquelle pro Knotenpunkt

In vielen Testabläufen werden Spannungs-Sweeps (Einspeisen von Spannung) und die Messung von Strom kombiniert (FVMI). Sobald mehrere SMUs parallel mit einem einzigen Schaltungsknoten des Testobjekts verbunden werden, würden alle SMUs als Spannungsquelle und zur Messung von Strom eingestellt werden. Allerdings müssen drei Faktoren berücksichtigt werden:

• Ist eine SMU als Spannungsquelle eingestellt, dann verfügt sie über einen sehr niederohmigen Ausgang.
• Das Testobjekt kann eine höhere Impedanz haben, als eine SMU im Spannungsquellen-Modus. Die Impedanz des Testobjekts kann statisch oder dynamisch sein und sich sogar während des Testablaufs ändern.
• Wenn alle parallel geschalteten SMUs so programmiert werden, dass sie die gleiche Spannung ausgeben, kann es aufgrund der Genauigkeit der Spannungsquellen kleine Spannungsunterschiede geben. Meist hat eine SMU eine etwas niedrigere Ausgangsspannung als die anderen SMUs (in der Größenordnung von einigen Millivolt). Werden drei SMUs parallel auf das Testobjekt geschaltet wobei jede SMU als Spannungsquelle programmiert ist und den maximalen Strom ausgibt, und das DUT ist hochohmig, dann wird - vorausgesetzt das DUT ist hochohmig - der gesamte Strom in die SMU fließen, welche die niedrigste Ausgangsspannung aufweist. Diese SMU wird dabei wahrscheinlich beschädigt. Deswegen sollte, wenn SMUs parallel mit den gleichen Punkten eines Testobjekts verbunden werden, immer nur eine SMU Spannung einspeisen. Bild 4 zeigt Beispiele für eine richtige aber auch für eine falsche Parallelschaltung von SMU

Hohe Verlustleistung bei Kontaktfehlern reduzieren

Hohe Verlustleistung bei Kontaktfehlern reduzieren

Werden zwei SMUs mit der gleichen Ausgangskapazität parallel auf einen einzigen Knotenpunkt in der Schaltung geschaltet, dann muss eine SMU den gesamten Strom der anderen SMUs aufnehmen können. Dieses Szenario tritt dann ein, wenn eine der Leitungen zum Testobjekt unterbrochen wird. Das bedeutet, dass über einen kurzen Zeitraum eine SMU als Senke für den gesamten Strom der anderen SMUs arbeiten muss. Wenn mehr als zwei SMUs an einem einzigen Schaltungsknoten parallel geschaltet sind, kann eine einzige SMU nicht mehr den gesamten Strom der anderen SMUs aufnehmen.

Die SMU, die im Falle einer Unterbrechung zum Testobjekt gezwungen wird als Stromsenke zu arbeiten, ist die mit der niedrigsten Spannung oder der niedrigsten Impedanz, am wahrscheinlichsten eine SMU, die Spannung einspeist. Der Eingang dieser SMUs lässt sich hier mit einer Diode schützen.

Wann eine Diode sinnvoll ist

Eine Diode ist ideal, weil eine Sicherung als Schutzmechanismus zu langsam reagieren und ein Widerstand einen zu hohen Spannungsabfall verursachen würde. Eine Diode gewährleistet eine viel schnellere Reaktion als eine Sicherung und hat einen Spannungsabfall von ungefähr 1 V. Damit diese Methode funktioniert, sollten alle SMUs in der Konfiguration mit einer Diode geschützt werden. Sobald das Testobjekt in einen hochohmigen Status geht, versuchen die Stromquellen ihren Strom an die spannungs-einspeisende SMU abzugeben.

Die stromeinspeisende SMU würde ihre Ausgangspannung so lange erhöhen, bis sie ihren Spannungsgrenzwert erreicht hat. Dann gehen die Stromquellen in die Begrenzung und schalten auf Spannungsquelle um. Das bedeutet, dass jetzt mehrere Spannungsquellen parallel geschaltet sind. Auch wenn ihre Spannungsgrenzwerte auf genau den gleichen Wert gesetzt werden, würden ihre Ausgänge sehr wahrscheinlich geringfügig unterschiedliche Spannungen aufweisen. Damit können sich die Geräte gegenseitig beschädigen.

Einbau von Dioden und ihre Konsequenzen

Dem Anwender sollte klar sein, dass auch eine Diode in der Konfiguration jeder SMU gewisse Konsequenzen hat. So hat ihr Einbau die Folge, dass dann die SMU nur noch als Quelle, nicht mehr aber als Senke arbeiten kann, weil die Dioden einen Stromfluss in die SMU blockieren.

Die zweite Konsequenz ist, dass um eine maximale Ausgangspannung zu erhalten, die Stromquellen eine Vierdraht-Verbindung um die Diode herum benötigen, weil durch den Spannungsabfall über der Diode die Stromquellen vorzeitig die Begrenzung erreichen. Bei diesen Strompegeln liegt der typische Spannungsabfall über einer Diode bei etwa 1 V.

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