Il metodo di misurazione dell'alimentazione elettrica a commutazione con l'oscilloscopio digitale
Gli alimentatori sono disponibili in un'ampia varietà di tipi e dimensioni, dai tradizionali alimentatori di tipo analogico agli alimentatori switching ad alta efficienza. Tutti devono affrontare un ambiente lavorativo complesso e dinamico. I carichi e le richieste delle apparecchiature possono cambiare radicalmente in un istante. Anche un alimentatore switching "quotidiano" può sopportare picchi momentanei ben superiori al suo livello operativo medio. Gli ingegneri che progettano un alimentatore o un alimentatore da utilizzare in un sistema devono comprendere come funziona l'alimentatore in condizioni statiche e nelle condizioni peggiori.
In passato, caratterizzare il comportamento di un alimentatore significava misurare la corrente e la tensione di riposo con un multimetro digitale ed eseguire calcoli scrupolosi con una calcolatrice o un PC. Oggi, la maggior parte degli ingegneri sceglie l'oscilloscopio come piattaforma di misurazione della potenza preferita. I moderni oscilloscopi possono essere dotati di software integrato di misurazione e analisi della potenza, semplificando la configurazione e rendendo più facili le misurazioni dinamiche. Gli utenti possono personalizzare i parametri chiave, automatizzare i calcoli e visualizzare i risultati in pochi secondi, non solo i dati grezzi.
Problemi di progettazione dell'alimentatore e relative esigenze di misurazione
Idealmente, ogni alimentatore dovrebbe comportarsi come il modello matematico per cui è stato progettato. Ma nel mondo reale, i componenti sono difettosi, i carichi possono variare, gli alimentatori possono essere distorti e i cambiamenti ambientali possono alterare le prestazioni. Inoltre, il cambiamento dei requisiti in termini di prestazioni e costi complica la progettazione degli alimentatori. Considera queste domande:
Quanti watt può sostenere l'alimentatore oltre la sua potenza nominale? Quanto può durare? Quanto calore dissipa l'alimentatore? Cosa succede quando si surriscalda? Di quanto flusso d'aria di raffreddamento ha bisogno? Cosa succede quando la corrente di carico aumenta in modo significativo? Il dispositivo è in grado di mantenere la tensione di uscita nominale? Come fa l'alimentatore a gestire un cortocircuito sull'uscita? Cosa succede quando cambia la tensione di ingresso dell'alimentatore?
I progettisti devono sviluppare alimentatori che occupino meno spazio, riducano il calore, riducano i costi di produzione e soddisfino standard EMI/EMC più severi. Solo un sistema di misurazione rigoroso può consentire agli ingegneri di raggiungere questi obiettivi.
Oscilloscopio e misure di potenza
Per coloro che sono abituati a effettuare misurazioni con larghezza di banda elevata con un oscilloscopio, le misurazioni dell'alimentazione possono essere semplici a causa delle loro frequenze relativamente basse. In effetti, ci sono molte sfide nella misurazione della potenza che i progettisti di circuiti ad alta velocità non devono mai affrontare.
L'intero quadro può essere ad alta tensione e "flottante", cioè non collegato a terra. L'ampiezza dell'impulso, il periodo, la frequenza e il ciclo di lavoro del segnale possono variare. Le forme d'onda devono essere acquisite e analizzate fedelmente per rilevare anomalie nella forma d'onda. Questo è impegnativo per l'oscilloscopio. Sonde multiple: sono necessarie contemporaneamente sonde a terminazione singola, differenziali e di corrente. Lo strumento deve disporre di un'ampia memoria per fornire spazio di registrazione per i risultati di acquisizione a bassa frequenza a lungo termine. Inoltre, potrebbe essere necessario acquisire segnali diversi con ampiezze molto diverse in un'unica acquisizione.
Nozioni di base sull'alimentatore switching
L'architettura di alimentazione CC dominante nella maggior parte dei sistemi moderni è l'alimentatore a commutazione (alimentatore a commutazione), noto per la sua capacità di gestire carichi variabili in modo efficiente. Il percorso del segnale di potenza di un tipico alimentatore a commutazione comprende componenti passivi, componenti attivi e componenti magnetici. Gli alimentatori a commutazione utilizzano il minor numero possibile di componenti con perdite (come resistori e transistor lineari) e per lo più (idealmente) componenti senza perdite: transistor di commutazione, condensatori e componenti magnetici.
Il dispositivo di alimentazione a commutazione ha anche una parte di controllo, che comprende un regolatore di modulazione dell'ampiezza degli impulsi, un regolatore di modulazione della frequenza degli impulsi e un circuito di feedback 1 e altri componenti. La sezione di controllo può avere una propria alimentazione. La Figura 1 è un diagramma schematico semplificato di un alimentatore a commutazione, che mostra la sezione di conversione dell'alimentazione, inclusi dispositivi attivi, dispositivi passivi e componenti magnetici.
La tecnologia degli alimentatori a commutazione utilizza dispositivi di commutazione a semiconduttore di potenza come transistor a effetto di campo a ossido di metallo (MOSFET) e transistor bipolari a gate isolato (IGBT). Questi dispositivi hanno tempi di commutazione brevi e possono sopportare picchi di tensione irregolari. Altrettanto importante, consumano pochissima energia sia nello stato acceso che spento, sono altamente efficienti e generano poco calore. I dispositivi di commutazione determinano in gran parte le prestazioni complessive di un alimentatore a commutazione. Le misurazioni chiave sui dispositivi di commutazione includono: perdita di commutazione, perdita di potenza media, area operativa sicura e altre.
