מדידה מדויקת של נאנואמפרים
ע”י שימוש ברב-מודד דגם Keithley DMM4020
באמצעות האלקטרוניקה העכשווית, מדידת הספק המתנה (Standby Power) או זרם דלף (Leakage Current) היא משימה נפוצה במהלך איתור תקלות ואימות תכנון. עם הביקוש הצרכני הגובר לחיי סוללה ארוכים יותר ומוצרים צורכי אנרגיה יעילים יותר, מהנדסי התכנון חייבים לנהל בזהירות את האנרגיה שאובדת בשל זרם הדלף, דבר המצריך מדידות מדויקות ביותר.
לעיתים, זרם הדלף/המתנה מתוכנן בכוונה כפונקציה של המכשיר. זוהי תופעת לוואי של מוצרים הכוללים יכולת של “הפעלה מיידית” (Instant-on), מוצרי צריכה אלקטרוניים עם תצוגת שעון קבועה, כמו גם התקני המרה אנרגיה כגון מטענים לסוללות. בגלל שהאנרגיה הינה הספק מוכפל בזמן, גם אם רמת הספק ההמתנה נמוכה, כמות משמעותית של אנרגיה נצרכת על פני תקופות זמן ארוכות, מבוזבז הספק מתח רשת ו/או הספק אגור בסוללות.
מדידה מדויקת של זרמי דלף ברמה נמוכה, בתחום של Nanoampere, מהווה אתגר למרבית רבי-המודדים הספרתיים.
שימוש ברב-המודד DMM4020 של חברת Keithley, המציע מעגל ייעודי למדידת זרמי דלף עם הבחנה של 1 nA, מהווה פתרון לאתגר זה.
מדידת זרם דלף/המתנה
במבט ראשון, מדידת זרם ההמתנה נראית משימה קלה. כל שעלינו לעשות הוא לחבר את חוטי המדידה של רב-מודד איכותי (DMM) אל ההדקים המתאימים של היחידה הנבדקת ולמדוד את זרם ה-DC. במציאות, המשימה היא לא כל כך פשוטה, כיוון שזרם הדלף נמצא בתחום המיקרואמפר הנמוך ומדידות המתבצעות עם רבי-מודדים מסורתיים עלולות להיות לא מדויקות.
רבי-המודדים מודדים, בדרך כלל, זרם על ידי חיבור התנגדות מיצד ידועה בחיבור טורי במעגל הנבדק, המאפשרת לזרם לזרום דרך המעגל. עם זרימת הזרם, רב-המודד מודד את מפל המתח על פני הנגד ומשתמש בחוק אוהם לחישוב הזרם. שיטת נגד-מיצד זאת יוצרת מפל מתח, הנקרא מתח הנטל, על פני מיצד, כפי שמוצג באיור 1. מתח הנטל הופך למקור שגיאה, משום שעל פי חוק המתח של Kirchhoff הוא מוחסר מהמתח שמסופק למעגל. למעשה, יש לצפות לטעויות של 50% או יותר.
ניתן להפחית את רמת השגיאה, ע”י שימוש בנגד מיצד בעל התנגדות נמוכה ואומנם רבי-מודדים איכותיים מצעים מדידת זרם בכמה תחומים, עם ערכי מיצד שונים, הניתנים לבחירה ע”י המשתמש.
עם זאת, שימוש בערכים נמוכים של התנגדות המיצד, יגדיל את הרגישות של מדידת המתח, עד לנקודה שבה המדידה הופכת לא מדויקת ולא יציבה.
ניתן להשיג דיוק רב יותר, באמצעות רב-מודד המתפקד כמד זרם ביישומים של מדידות זרם ברמות נמוכות, בטכניקת המרה מתח-לזרם, ע”י שימוש במגבר-שרת, המחובר טורית למעגל הנבדק, כמתואר באיור 2.
לדוגמה, במעגל עם מתח אספקת של 1.2 V DC ויחידה נבדקת המהווה עומס של 100 kΩ, נוצר זרם מחושב של 12 µA. עם זאת, בשל ההתנגדות הטורית הנוספת של מעגל הרב-מודד כמיצד (10 kΩ), הזרם הנמדד דרך היחידה הנבדקת ירד ל- µA 10.909.
בכדי לשפר את הרגישות של מדידות זרם נמוך, מהנדסי התכנון של מדי-הזרם עשויים להגדיל את ההתנגדות של המיצד; ככל שהתנגדות המיצד עולה, כך תעלה גם השגיאה.
רב-המודד הספרתי DMM4020 של Keithleyמשתמש במגבר-שרת ממיר זרם-למתח בשני תחומים למדידת זרם ישר נמוך: 2000 μA ו- 200 μA. בתחומים אלה, מגבר-השרת משקף עכבת נמוכה בתוך המעגל וממיר את זרם המבוא הלא ידוע למתח, מבטל ע”י כך את הצורך במיצד בעל התנגדות נמוכה ובעקבותיו את הופעת מתח הנטל.
המכשיר הנ”ל מספק הבחנה של עד 1 nA עם דיוק של 0.03% במדידת זרמים נמוכים בתחומים שהוזכרו והשפעת העמסתו על המדידה הינה מזערית.
כך, ניתן למדוד בדיוק רב את זרמי המתנה באמצעות רב-מודד שולחני DMM4020 של
Keithley.
כיצד להיזהר ממקורות שגיאה
בעת ביצוע מדידות של זרמים נמוכים, יש להיות מודעים למקורות אפשריים של שגיאות מדידה וכיצד למנוע מהם להשפיע על המדידות.
הרי כמה נקודות שכיחות של שגיאה:
זרם דלף הנובע מגורמים חיצונים, כגון כאלה הנגרמים על ידי מזהמים – לכלוך, גריז, משחת הלחמה וכו’. בין אם הם נמצאים על היחידה הנבדקת, על מכשיר הבדיקה עצמו, על כבלי הבדיקה או מחברים, המזהמים עלולים לספק נתיבים חלופיים לזרימת הזרם ובכך לגרום לשגיאות במדידות. לפני ביצוע בדיקות של זרמים נמוכים, יש לנקות עם אלכוהול את כל המשטחים העלולים להיות מזוהמים.
רעש מכל סוג שהוא עלול לגרום לקריאות שגויות במדידת זרמים נמוכים:
– רעש קו רשת עלול להשפיע בצורה מכרעת על מגברים רגישים וליצור קריאות לא מדויקות. סינון יכול לעזור ושימוש בכבלי מדידה קו-אקסיאליים או זוג-מפותל מסוכך, יקטינו קריאות שגויות.
– רעש שמע מכל סוג שהוא עלול לגרום לרעידות בסביבת המדידה. רעידות עשויות, כמובן, לגרום לתנודות מוליך כנגד מבודד וליצור רעש יוצר-שגיאה בתוך המעגל.
– רעש תרמי נוצר כאשר החום במיצד או ההתקן נבדק מעורר ומגביר את התנועה האקראית והתנגשויות של אלקטרונים במעגל. המתח והזרם הנוצרים הם יחסיים לריבוע ההתנגדות במעגל ( הן מההתקן הנבדק והן ממעגל המדידה ). שימוש במיצד עם התנגדות נמוכה עשוי להמעיט תופעה זאת.
ביצוע מדידות התנגדות בצורה פשוטה ומדויקת באמצעות סדרת רבי-מודד (DMM)
ניתן למדוד התנגדות בצורה נוחה, ע”י שימוש בשני חוטים, אך זה עלול להוביל למדידה שגויה.
ניתן למזער במידה רבה את השגיאה, באמצעות שימוש בארבעה חוטים ורב-מודד עם חיבורי מקור ומדידה נפרדים. ברם, הכללת חוטים ומחברים נוספים הופכת את המדידה למורכבת ומסובכת יותר. יש צורך לחבר חוטים נוספים, להחליף בין מהדקים ופרובים ולשנות מצבי מדידה ממתח להתנגדות. לאחרונה, תפיסה חדשנית מאפשרת לבצע מדידת התנגדות בארבע-חוטים, רק עם שני כבלים.
מדוע למדוד התנגדות עם ארבעה חוטים ?
התנהלות עם שני כבלים עשויה להיות מאתגרת דיה, במיוחד כאשר מודדים רכיבים קטנים באזורים מצומצמים וצפופי רכיבים. אך, אם ננסה לבדוק נקודת הלחמה קטנה, מחבר גמיש או נגד שבב עם ארבעה חוטים, נמצא במצוקה אמיתית.
החלפת תצורות הכבלים עלולה להוביל לחיבור מוטעה של מחברים וטעויות מדידה. כמו כן, החלפת הכבלים של מדידת מתח בפרובים Kelvin) לצורך מדידת התנגדות בארבעה-חוטים) ובחזרה, דורש זמן. אז מדוע למדוד התנגדות עם ארבעה חוטים?
עכבת המבוא של מדידת המתח ברב-מודד הינה בדרך כלל 10 Megohm או יותר, כך שזרם מאוד נמוך זורם בכבלי המדידה ומפל המתח על הכבלים זניח. מדידות הזרם אינן מושפעות באופן משמעותי ע”י ההתנגדות הטורית של כבלי המדידה. למרבה הצער, במקרה של מדידות התנגדות, התנגדות הכבלים עלולה להיות מקור של אי דיוקים משמעותיים.
בעת ביצוע מדידת התנגדות, רב-המודד ממתג מקור זרם אל מעגל המדידה. הזרם מאולץ דרך ההתנגדות הבלתי ידועה ורב-המודד מודד את מפל המתח הנוצר עליה. אם יש רק שני מוליכים, כפי שמוצג באיור 1, זרם המקור עובר באותו נתיב המשמש למדידת מפל המתח.
כבלי המדידה אינם מוליכים מושלמים ויש להם התנגדות מסוימת משלהם. על ידי אילוץ הזרם דרך כבלי המדידה, המתח הנמדד אינו רק מפל המתח על ההתנגדות הלא ידועה, אלא גם מפל המתח על כל אחד מכבלי המדידה. כך, התוצאה המתקבלת בסופו של דבר, הינה ההתנגדות המשולבת של כבל המדידה החיובי, ההתנגדות הלא ידועה, וכבל המדידה השלילי.
ע”י שימוש בארבעה חוטים, כפי שמוצג באיור 2, ניתן להפריד בין זרם המקור ומדידת המתח.
מחברי רב-המודד נקראים “Source” עבור אספקה הזרם ו-“Sense” עבור מדידת המתח.
ההתנגדות הטורית של כבלי ה-Source אינה משפיעה על ערך הזרם. וכמו כן, דרך הכבלים של ה- Sense כמעט שאין זרם, בשל עכבת המבוא הגבוהה של רב-המודד. משמעות הדבר היא שאין מפל מתח I x R בכבלי המדידה. כך, שהמתח הנמדד הוא מפל המתח על ההתנגדות הלא ידועה כתוצאה של זרם המקור הזורם דרכה.
הצגת שיטת מדידת התנגדות 2X4 חוטים
שיטה ייחודית (מוגנת בפטנט) של שקעים מפוצלים, המיושמת ברבי-המודדים של חברת Keithley, שומרת על נוחות השימוש בשני כבלים עבור מדידות התנגדות, אך מספקת את ביצועי המדידה של שיטה בת 4 חוטים. השקעים תואמים לחלוטין תקעי בננה סטנדרטיים של 4 מ”מ. אך בחלקם הפנימי, כל שקע מפוצל לשני מגעים: אחד מקור ואחד מדידה.
כבלי מדידה מיוחדים תוכננו ונבנו כך שלכל אחד יש שני מוליכים, שוב, מקור אחד ומודד אחד. כבלי המדידה מתחברים בהתאם בתוך השקעים, ויוצרים שני נתיבי אות נפרדים עבור המקור והמדידה, לכל אורכם. בקצה הכבלים המתחברים אל ההתקנים הנבדקים, קליפים ופרובים השומרים על ההפרדה בין מקור ומדידת האותות, יספקו ביצועים של 4 חוטים במדידת התנגדות הרכיב.
חברת Keithley מציעה מבחר של קליפים ופרובים המספקים אמצעי מדידה בשיטת 4 חוטים הישר אל נקודות החיבור.
הם כוללים:
- פרובים למדידה
- קליפים (Kelvin) קרוקודיל
- מלקחיים
כל האביזרים הללו משמשים למדידת התנגדות או מתח, בשיטת 4 חוטים.
הטכניקה של 2×4 חוטים המיושמת בסדרת רבי-המודדים של חברת Keithley מפשטת את הביצוע של מדידות התנגדות מדויקות, ללא צורך בשינוי של תצורות הכבלים ומבלי לעבוד עם סבך של כבלים.
הכתבה נערכה והוגשה ע”י חברת Keithley וחברת דן-אל טכנולוגיות, בע”מ הנציגה הבלעדית של החברה בישראל.
