Source Measure Unit (SMU)
Was ist eine Source Measure Unit?
Eine Source Measure Unit (SMU) kombiniert eine programmierbare Spannungs- und Stromquelle mit elektrischen Messfunktionen in einem Gerät. Sie gibt beispielsweise eine definierte Spannung vor und misst den Strom, der durch einen Prüfling fließt. Ebenso kann sie einen Strom vorgeben und die resultierende Spannung erfassen. Damit lassen sich Bauteile gezielt anregen und ihre elektrischen Eigenschaften untersuchen.
Weitere gebräuchliche Bezeichnungen sind Source Measurement Unit und Source Meter Unit. SMUs werden vor allem in Entwicklung, Forschung, Qualitätssicherung und automatisierten Prüfsystemen eingesetzt.
Wie arbeitet eine SMU?
Die Source Measure Unit (SMU) gibt Spannung oder Strom vor und misst die Reaktion des Prüflings. Die Darstellung zeigt das Funktionsprinzip, keinen gerätespezifischen Anschlussplan.
| Betriebsart | Vorgegebene Größe | Gemessene Reaktion | Typische Aufgabe |
|---|---|---|---|
| Spannung vorgeben, Strom messen | Spannung | Strom durch den Prüfling | Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode aufnehmen |
| Strom vorgeben, Spannung messen | Strom | Spannung am Prüfling | Durchlassspannung oder Widerstand bestimmen |
Quelle und Messung lassen sich zu automatisierten Abläufen verbinden. Bei einem Sweep durchläuft die SMU mehrere Sollwerte und erfasst die zugehörigen Messwerte. Daraus entsteht beispielsweise eine Strom-Spannungs-Kennlinie, auch I-V-Kennlinie genannt. Messbereiche, Einschwingzeit und Messdauer müssen zur Anwendung passen.
Was bedeutet Compliance bei einer SMU?
Compliance bezeichnet die eingestellte Grenze für die jeweils andere elektrische Größe: Im Spannungsquellenbetrieb wird ein Stromlimit festgelegt, im Stromquellenbetrieb ein Spannungslimit. Erreicht die SMU diese Grenze, kann sie den ursprünglich eingestellten Quell-Sollwert möglicherweise nicht mehr halten. Die Messwerte müssen dann unter Berücksichtigung dieses Begrenzungszustands ausgewertet werden.
Compliance bedeutet nicht automatisch, dass das Gerät abschaltet. Zusätzliche Schutzabschaltungen und ihr Verhalten hängen vom Modell und von den Einstellungen ab.
Praxisbeispiel: die Kennlinie einer Diode messen
Für die Kennlinienmessung wird die Spannung an der Diode schrittweise verändert. An jedem Messpunkt erfasst die SMU den resultierenden Strom. Eine zum Bauteil passende Stromgrenze begrenzt die Belastung. So lässt sich erkennen, wie sich der Strom mit der angelegten Spannung verändert. Wird die Stromgrenze erreicht, gehört dieser Hinweis zur Interpretation der Messkurve.
Unterstützt die SMU geeignete Pulsmessungen, kann eine kurze Belastung mit anschließender Pause die Eigenerwärmung gegenüber einer kontinuierlichen Messung verringern. Pulsdauer, Wiederholrate und zulässiger Arbeitsbereich sind dabei gerätespezifisch.
Vierquadrantenbetrieb, Kelvin-Anschluss und Guard
Viele SMUs arbeiten in vier Quadranten: Sie können mit positiven und negativen Spannungen sowie Strömen arbeiten und innerhalb ihres zulässigen Arbeitsbereichs elektrische Leistung abgeben oder aufnehmen. Nicht jede SMU unterstützt dieselben Quadranten oder Leistungsbereiche. Stromaufnahme bedeutet außerdem nicht automatisch Rückspeisung in das Versorgungsnetz.
Die Source Measure Unit (SMU) kann als Quelle oder Senke arbeiten. Positiver Strom ist hier vom Ausgang zum Prüfling definiert. Die Grafik erklärt die Vorzeichen; sie zeigt keine zulässige Betriebsbereichsgrenze.
Bei einer Vierleitermessung nach Kelvin erfassen separate Sense-Leitungen die Spannung möglichst direkt am Prüfling. Dadurch wird der Einfluss von Spannungsabfällen an stromführenden Leitungen und Kontakten reduziert. Ein Guard-Anschluss hat eine andere Aufgabe: Er kann in geeigneten Messaufbauten unerwünschte Leckströme verringern, besonders bei kleinen Strömen und hohen Widerständen.
Wann ist eine SMU sinnvoll?
Typische Anwendungen sind die Charakterisierung von Dioden, Transistoren und anderen Halbleitern, die Untersuchung von Sensoren und passiven Bauelementen sowie Messungen an LEDs und Solarzellen. Auch Leckstrommessungen und wiederholbare Bauteilprüfungen können passende Aufgaben sein – vorausgesetzt, Messbereiche und Funktionen des ausgewählten Geräts erfüllen die Anforderungen.
Gegenüber einem separaten Labornetzgerät und Multimeter bietet eine SMU aufeinander abgestimmte Quell- und Messfunktionen. Das erleichtert Kennlinienmessungen und automatisierte Prüfabläufe. Für die reine Versorgung eines Geräts kann dagegen ein Labornetzgerät ausreichen. Entscheidend sind die benötigten Messfunktionen und der zulässige Arbeitsbereich.
Worauf kommt es bei der Auswahl an?
- Spannung, Strom und Leistung: Den benötigten Arbeitspunkt einschließlich Stromaufnahme und Polarität prüfen. Maximalspannung und Maximalstrom stehen nicht zwangsläufig gleichzeitig zur Verfügung.
- Auflösung, Genauigkeit und Rauschen: Eine kleine darstellbare Schrittweite ist nicht mit hoher Messgenauigkeit gleichzusetzen. Maßgeblich sind die Spezifikationen im verwendeten Messbereich.
- Messgeschwindigkeit und Pulsbetrieb: Einschwingzeit, Messdauer, Triggerung und gegebenenfalls Pulsgrenzen auf den Prüfablauf abstimmen.
- Anschlüsse und Kanäle: Kelvin-Sense, Guard und die Zahl synchronisierbarer Kanäle passend zum Messaufbau auswählen.
- Automatisierung: Schnittstellen, Fernsteuerung, Datenerfassung und Einbindung in die vorhandene Prüfsoftware berücksichtigen.
Source Measure Units bei CompuMess
Die ITECH IT2800-Serie umfasst drei Grundmodelle und drei R-Varianten. Bei CompuMess sind IT2801, IT2805 und IT2806 einzeln gelistet. Die R-Ausführungen sind im aktuellen Herstellerprogramm enthalten; ihre Verfügbarkeit bei CompuMess ist auf Anfrage zu klären. IT2800 bezeichnet die Serie.
| Modell | Spannung | Strom | Leistung | Auswahlhilfe |
|---|---|---|---|---|
| IT2801 | ±1.000 V | ±1 A | ±20 W | Für höheren Spannungsbedarf, etwa bei Sperrkennlinien. |
| IT2805 | ±200 V | ±1,5 A | ±20 W | Für Bauteilcharakterisierung und Messaufgaben mit kleinen Strömen. |
| IT2806 | ±200 V | ±3 A DC; ±10 A Puls | ±20 W | Für höheren Strombedarf und geeignete Pulsmessungen. |
| IT2801R | ±1.000 V | ±1 A | ±20 W | Variante des IT2801 mit rückseitigem Triaxanschluss; bei CME anfragen. |
| IT2805R | ±200 V | ±1,5 A | ±20 W | Variante des IT2805 mit rückseitigem Triaxanschluss; bei CME anfragen. |
| IT2806R | ±200 V | ±3 A DC; ±10 A Puls | ±20 W | Variante des IT2806 mit rückseitigem Triaxanschluss; bei CME anfragen. |
Die Nennwerte sind keine gleichzeitig nutzbaren Arbeitspunkte. Insbesondere sind ±10 A beim IT2806/IT2806R ein Pulsbereich. Maßgeblich sind der zulässige Arbeitsbereich und die Pulsbedingungen im Datenblatt. Die R-Modelle verfügen über Front- und Rückanschlüsse und unterstützen kein GPIB; bei den Standardmodellen ist GPIB optional. Die Auswahlhinweise leiten sich aus den Modellunterschieden ab und ersetzen keine Prüfung der konkreten Messanforderungen. Quelle: ITECH-Serienkatalog (PDF).
Welche weiteren Geräte eignen sich für ähnliche Messaufgaben?
Für manche Anwendungen ist ein Batteriesimulator, ein Netzgerät mit Stromrückmessung oder ein spezialisiertes Prüfsystem passend. Entscheidend ist die Messaufgabe: Vierquadrantenbetrieb allein sagt noch nichts über Messgenauigkeit, kleine Strombereiche oder integrierte Kennlinienmessung aus.
Weitere ITECH-Geräte bei CME
| Serie oder Modell | Passende Aufgabe | Einordnung |
|---|---|---|
| IT6400, darunter IT6411S | Batteriesimulation und Untersuchung batteriegespeister Elektronik; IT6411S für kleine Ströme bei niedriger Spannung. | Stromversorgung/Batteriesimulator mit Messfunktionen. Spannungsbereiche, Polaritäten und Kanalanzahl sind modellabhängig. |
| IT-M3200 | Versorgung und Stromaufnahmeprüfung von Sensoren, IoT-Geräten und Baugruppen. | Präzisionsnetzgerät mit Stromrückmessung. |
| IT-M3400 | Bidirektionale Tests an Batterien und DC/DC-Wandlern. | Quelle und Senke bei positiver Spannung und beiden Stromrichtungen. |
| IT-M3600 | Leistungsprüfungen mit Versorgung, Stromaufnahme und eigenständigem Lastbetrieb. | Rückspeisendes Power-System mit Lastmodus. |
| IT2700 | Mehrkanalige automatisierte Prüfungen an Baugruppen, Wandlern und Batteriesystemen. | Modulares System; Funktionen als Quelle, bidirektionale Quelle oder Last hängen vom gewählten Modul ab. |
Diese Serien decken verwandte Prüfaufgaben ab. Ihre Eignung als Alternative zur IT2800-SMU hängt insbesondere von Strombereich, Messgenauigkeit, Dynamik und Steuerungsmöglichkeiten ab.
Weitere Hersteller im CME-Sortiment
| Gerät oder Serie | Geeignet für | Geräteart |
|---|---|---|
| Kepco BOP, beispielsweise BOP 50-4DL | Bipolare Ansteuerung; die L-Ausführung ist für induktive Lasten wie Spulen ausgelegt. | Vierquadranten-Stromversorgung/Leistungsverstärker. |
| Chroma 62000D, beispielsweise 62060D-600 | Source-/Sink-Leistungstests an Wandlern und Energiespeichern. | Bidirektionale DC-Stromversorgung mit regenerativer Lastfunktion. |
| Chroma 63600, beispielsweise 63630-80-60 | Belastungsprüfungen an Netzteilen und DC/DC-Wandlern. | Elektronische DC-Last; übernimmt die Senkenfunktion. |
| Chroma 17020 | Lade- und Entladezyklen an Batterie-Packs. | Regeneratives Batterietestsystem. |
| Chroma 11200 | Kondensator-Leckstrom und Isolationswiderstand. | Spezialisierter Leckstrom-/IR-Tester mit integrierter Quelle. |
| Chroma 11050 / 11050-5M / 11050-30M | Frequenzabhängige Messung von L, C, R und Impedanz an passiven Bauelementen. | LCR-Messgerät als Ergänzung zur DC-Kennlinienmessung. |
Diese Lösungen sind auf bestimmte Prüfaufgaben spezialisiert. Für die Auswahl zählen der benötigte Arbeitsbereich, die Messgenauigkeit und der konkrete Prüfablauf.
Weiterführende Informationen
Im CME-Glossar: Labornetzgeräte und bipolare Stromversorgung.
Technische Grundlagen und gerätespezifische Angaben: ITECH IT2800 – Herstellerinformationen sowie Keithley 2400 – Benutzerhandbuch (PDF, englisch).