اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة

“في التطبيقات العملية ، غالبًا ما يواجه المهندسون سيناريوهات تتطلب قياس الطاقة ، بالإضافة إلى محلل طاقة خاص يمكنه إكمال القياس ، يمكن أيضًا استخدام راسمات الذبذبات اليومية لذلك.

“

في التطبيقات العملية ، غالبًا ما يواجه المهندسون سيناريوهات تتطلب قياس الطاقة ، بالإضافة إلى محلل طاقة خاص يمكنه إكمال القياس ، يمكن أيضًا استخدام راسمات الذبذبات اليومية لذلك.

من الناحية النظرية ، القوة تساوي الجهد مضروبًا في التيار ، وراسم الذبذبات هو أداة استجابة للجهد ، كيف يتم تحليل القدرة؟ بعد أن يتم تجهيز مرسمة الذبذبات بمسبار حالي ، يمكن تحويل الإشارة الحالية إلى إشارة جهد عبر المسبار الحالي لتحقيق الغرض من قياس التيار ، وبالتالي يمكن لموسم الذبذبات قياس القدرة.

أولاً ، دعنا نوضح ما يمكن أن يفعله تحليل طاقة راسم الذبذبات:

1. تحليل التشوه التوافقي الكلي ، القوة الفعالة ، القوة الظاهرة ، عامل القدرة ، وعامل القمة

2. اختبار التوافقيات الحالية وفقًا لمعيار IEC61000-3-2

3. قياس خسائر التحويل وخسائر التوصيل لأجهزة التحويل.

4. تحليل معدلات التيار والجهد الكبير dl / dt و dV / dt

5. إعداد قياسات تموج راسم الذبذبات تلقائيًا

6. تحليل تعديل عرض النبض

تأتي مصادر الطاقة في مجموعة متنوعة من الأنواع والأحجام ، من مصادر الطاقة التقليدية من النوع التناظري إلى مصادر الطاقة التحويلية عالية الكفاءة. يواجهون جميعًا بيئات عمل معقدة وديناميكية. يمكن أن تتغير أحمال المعدات ومتطلباتها بشكل كبير في لحظة. حتى مصدر طاقة التحويل “اليومي” يجب أن يكون قادرًا على تحمل ارتفاعات عابرة تتجاوز بكثير متوسط ​​مستوى التشغيل. يحتاج المهندسون الذين يصممون مصادر الطاقة أو الأنظمة التي ستستخدم مصادر الطاقة إلى فهم كيفية عمل مزود الطاقة في ظل ظروف ثابتة وكذلك في أسوأ الحالات.

في الماضي ، كان تحديد سلوك مصدر الطاقة يعني قياس التيار الهادئ والجهد باستخدام مقياس رقمي متعدد وإجراء حسابات مضنية باستخدام آلة حاسبة أو كمبيوتر شخصي. اليوم ، يلجأ معظم المهندسين إلى راسمات الذبذبات كمنصة قياس الطاقة المفضلة لديهم. يمكن تجهيز راسمات الذبذبات الحديثة ببرنامج قياس وتحليل متكامل للطاقة ، مما يبسط الإعداد ويجعل القياسات الديناميكية أسهل. يمكن للمستخدمين تخصيص المعلمات الرئيسية وأتمتة العمليات الحسابية ورؤية النتائج في ثوانٍ ، وليس البيانات الأولية فقط.

قضايا تصميم الطاقة واحتياجات قياسها

من الناحية المثالية ، يجب أن يتصرف كل مصدر طاقة مثل النموذج الرياضي الذي تم تصميمه من أجله. ولكن في العالم الحقيقي ، تكون المكونات معيبة ، ويمكن أن تختلف الأحمال ، ويمكن أن تتشوه إمدادات الطاقة ، ويمكن للتغيرات البيئية أن تغير الأداء. أيضًا ، يؤدي تغيير متطلبات الأداء والتكلفة إلى تعقيد تصميمات إمدادات الطاقة. ضع في اعتبارك هذه الأسئلة:

كم عدد الواط التي يمكن أن يتحملها مزود الطاقة بما يتجاوز قوته المقدرة؟ إلى متى يمكن أن تستمر؟ ما مقدار الحرارة التي يتبددها مزود الطاقة؟ ماذا يحدث عندما ترتفع درجة حرارتها؟ ما مقدار تدفق هواء التبريد الذي يتطلبه؟ ماذا يحدث عندما يزيد الحمل الحالي بشكل كبير؟ هل يمكن للجهاز الحفاظ على جهد الخرج المقنن؟ كيف يتعامل مزود الطاقة مع دائرة قصر كاملة عند الخرج؟ ماذا يحدث عندما يتغير جهد الدخل لمصدر الطاقة؟

يحتاج المصممون إلى تطوير مصادر طاقة تشغل مساحة أقل ، وتقلل الحرارة ، وتقلل من تكاليف التصنيع ، وتفي بمعايير EMI / EMC الأكثر صرامة. يمكن فقط لنظام قياس صارم أن يسمح للمهندسين بتحقيق هذه الأهداف.

راسم الذبذبات وقياسات الطاقة

بالنسبة لأولئك الذين اعتادوا على إجراء قياسات النطاق الترددي العالي باستخدام راسم الذبذبات ، قد تكون قياسات مصدر الطاقة مباشرة بسبب ترددها المنخفض نسبيًا. في الواقع ، هناك العديد من التحديات في قياس الطاقة التي لا يتعين على مصممي الدوائر عالية السرعة مواجهتها أبدًا.

قد يكون الجهد الكهربي عبر مجموعة المفاتيح مرتفعًا و “عائمًا” ، أي غير مؤرض. يختلف عرض النبضة والفترة والتردد ودورة العمل للإشارة. يجب التقاط الشكل الموجي وتحليله بصدق لاكتشاف الانحرافات في شكل الموجة. متطلبات راسم الذبذبات متطلبة. مجموعة متنوعة من المجسات – تتطلب كلا من المجسات أحادية النهاية ، والمجسات التفاضلية ، والمجسات الحالية. يجب أن تحتوي الأداة على ذاكرة كبيرة لتوفير مساحة تسجيل لنتائج اكتساب التردد المنخفض على المدى الطويل. وقد يكون من الضروري التقاط إشارات مختلفة ذات سعة مختلفة على نطاق واسع في عملية اكتساب واحدة.

أساسيات تبديل التيار الكهربائي

إن بنية طاقة التيار المستمر المهيمنة في معظم الأنظمة الحديثة هي مصدر طاقة وضع التبديل (SMPS) ، المعروف بقدرته على التعامل بفعالية مع الأحمال المتغيرة. يتضمن مسار إشارة الطاقة الخاص بـ SMPS النموذجي العناصر الخاملة والنشطة والمغناطيسية. يستخدم SMPS أقل عدد ممكن من المكونات المفقودة (مثل المقاومات والترانزستورات الخطية) ويستخدم بشكل أساسي (بشكل مثالي) المكونات غير المفقودة: تبديل الترانزستورات والمكثفات والمغناطيسية.

يحتوي جهاز SMPS أيضًا على قسم تحكم يتضمن مكونات مثل منظم PWM ، ومنظم PWM ، وحلقة تغذية مرتدة 1. قد يكون لقسم التحكم مصدر طاقة خاص به. الشكل 1 هو مخطط مبسط لـ SMPS يوضح قسم تحويل الطاقة ، بما في ذلك المكونات النشطة والسلبية والمغناطيسية.

تستخدم تقنية SMPS ترانزستورات تأثير مجال أكسيد المعدن (MOSFETs) وترانزستورات ثنائية القطب معزولة للبوابة (IGBT) وأجهزة تبديل أشباه موصلات الطاقة الأخرى. تتميز هذه الأجهزة بأوقات تحويل قصيرة ويمكنها تحمل ارتفاعات الجهد غير المستقرة. بنفس القدر من الأهمية ، فهي تستهلك القليل جدًا من الطاقة ، داخل وخارج ، مع كفاءة عالية وتوليد حرارة منخفضة. تحدد أجهزة التبديل إلى حد كبير الأداء العام لـ SMPS. تشمل القياسات الرئيسية لأجهزة التحويل: فقدان التبديل ، ومتوسط ​​فقد الطاقة ، ومنطقة التشغيل الآمنة ، وغيرها.
　

الشكل 1. تخطيطي مبسط لإمداد طاقة التبديل.

الشكل 2. جهاز تبديل MOSFET يظهر نقاط القياس.

الاستعداد لقياس الطاقة

عند التحضير لإجراء قياسات حول تبديل مزودات الطاقة ، تأكد من تحديد الأدوات المناسبة وإعدادها بحيث تعمل بدقة وبشكل متكرر. بالطبع يجب أن يكون لدى راسم الذبذبات عرض نطاق أساسي ومعدل أخذ العينات لاستيعاب تردد التبديل الخاص بـ SMPS. تتطلب قياسات الطاقة قناتين على الأقل ، واحدة للجهد وأخرى للتيار. لا تقل أهمية عن بعض المرافق التي تجعل قياسات الطاقة أسهل وأكثر موثوقية. وهنا بعض الأشياء في الاعتبار:

هل يمكن للأداة التعامل مع جهد التشغيل والإيقاف الخاص بأجهزة التبديل في نفس عملية الاستحواذ؟ قد تصل نسبة هذه الإشارات إلى 100،000: 1.

هل توجد مجسات جهد وتيار موثوقة ودقيقة؟ هل هناك طريقة فعالة لتصحيح تأخيراتهم المختلفة؟

هل هناك طريقة فعالة لتقليل الضوضاء الساكنة للمسبار؟

هل يمكن تجهيز الجهاز بطول تسجيل كافٍ لالتقاط أشكال موجة تردد خط كامل طويل بمعدلات عينات عالية؟

هذه الخصائص هي الأساس لقياسات تصميم مصدر طاقة هادفة وصالحة.

قياس 100V و 100mV في اقتناء واحد

لقياس فقدان التبديل ومتوسط ​​فقد الطاقة لجهاز التبديل ، يجب أولاً تحديد راسم الذبذبات الجهد عبر جهاز التبديل عند إيقاف تشغيله وتشغيله ، على التوالي.

في محول التيار المتردد / التيار المستمر ، يكون النطاق الديناميكي للجهد عبر أجهزة التبديل كبيرًا جدًا. يعتمد الجهد عبر جهاز التبديل في حالة التشغيل على نوع جهاز التبديل. في MOSFET الموضح في الشكل 2 ، يكون جهد التشغيل هو نتاج المقاومة والتيار. في أجهزة الترانزستور ثنائي القطب (BJT) وأجهزة IGBT ، يتم تحديد هذا الجهد بشكل أساسي بواسطة جهد التوصيل المشبع (VCEsat). يعتمد الجهد خارج الحالة على جهد إدخال التشغيل وطوبولوجيا محول التبديل. تستخدم مصادر طاقة التيار المستمر النموذجية المصممة لمعدات الحوسبة جهدًا رئيسيًا مشتركًا بين 80 Vrms و 264 Vrms.

قد يكون الجهد خارج الحالة على جهاز التبديل (بين TP1 و TP2) مرتفعًا مثل 750 فولت عند أعلى جهد دخل. في حالة التشغيل ، قد يتراوح الجهد عبر نفس المحطات بين بضعة ملي فولت إلى حوالي 1 فولت. يوضح الشكل 3 خصائص الإشارة النموذجية لأجهزة التبديل.

اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة
الشكل 3. إشارات نموذجية للمفاتيح الكهربائية

للحصول على قياسات دقيقة لطاقة جهاز التبديل ، يجب قياس جهد إيقاف التشغيل وتشغيله أولاً. ومع ذلك ، فإن النطاق الديناميكي لمؤشر الذبذبات الرقمي النموذجي 8 بت غير كافٍ لالتقاط إشارات على مستوى الميليفولت بدقة أثناء التشغيل والجهد العالي الذي يحدث أثناء إيقاف التشغيل في نفس دورة الاستحواذ. لالتقاط هذه الإشارة ، يجب ضبط النطاق الرأسي لمؤشر الذبذبات على 100 فولت لكل قسم. في هذا الإعداد ، يمكن أن يقبل مرسمة الذبذبات الفولتية حتى 1000 فولت ، مما يجعل من الممكن الحصول على إشارة 700 فولت دون زيادة التحميل على راسم الذبذبات. تكمن مشكلة هذا الإعداد في أن الحساسية القصوى (أصغر سعة إشارة يمكن حلها) تصبح 1000/256 ، أي حوالي 4 فولت.

يحل برنامج Tektronix DPOPWR هذه المشكلة ، ويمكن للمستخدم إدخال قيمة RDSON أو VCEsat من البيانات الفنية للجهاز في قائمة القياس الموضحة في الشكل 4. يمكن أيضًا حساب DPOPWR باستخدام البيانات المكتسبة بدلاً من القيم المدخلة يدويًا إذا كان الجهد الذي يتم قياسه ضمن نطاق حساسية مرسمة الذبذبات.

الشكل 4. صفحة إدخال DPOPWR تسمح للمستخدم بإدخال قيم البيانات التقنية لـ RDSON و VCEsat.

اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة
الشكل 4. تأثير تأخير الانتشار على قياسات القدرة

القضاء على الانحراف الزمني بين مجسات الجهد والتيار

لإجراء قياسات للطاقة باستخدام راسم الذبذبات الرقمي ، من الضروري قياس الجهد والتيار بين استنزاف ومصدر جهاز تبديل MOSFET (كما هو موضح في الشكل 2) ، أو الجهد بين المجمع والباعث في IGBT. تتطلب هذه المهمة مجسين مختلفين: مسبار تفاضلي عالي الجهد ومسبار حالي. هذه الأخيرة عادة ما تكون مجسات تأثير هول غير تدخلية. كلا المجسين لهما تأخير انتشار فريد خاص به. يؤدي الاختلاف بين هذين التأخرين ، المعروفين باسم انحراف الوقت ، إلى قياسات سعة غير دقيقة وتعتمد على الوقت. من المهم فهم تأثير تأخير انتشار المسبار على أقصى قدرة ذروة وقياسات المنطقة. بعد كل شيء ، الطاقة هي نتاج الجهد والتيار. إذا لم يتم معايرة المتغيرين اللذين يتم ضربهما بشكل جيد ، فستكون النتيجة خاطئة. عندما لا يكون المسبار “مصححًا لانحراف الوقت” بشكل صحيح ، يمكن أن تتعرض دقة القياسات مثل فقدان التبديل للخطر.

يقارن إعداد الاختبار الموضح في الشكل 5 الإشارة الموجودة على طرف المسبار (كما هو موضح في التتبع السفلي) بالإشارة الموجودة على اللوحة الأمامية لمؤشر الذبذبات بعد تأخير الانتشار (كما هو موضح في الطرف العلوي).

الأشكال من 6 إلى 9 هي لقطات شاشة راسم الذبذبات الفعلية توضح تأثيرات انحراف المسبار. وهو متصل بـ DUT باستخدام المسبار التفاضلي Tektronix P5205 1.3 كيلو فولت ومسبار التيار TCP0030AC / DC. يتم توفير إشارات الجهد والتيار من خلال أداة معايرة. يوضح الشكل 6 الانحراف بين مجسات الجهد والتيار ، ويوضح الشكل 7 القياسات (6.059mW) التي تم الحصول عليها دون تصحيح الانحراف بين المجسين. يوضح الشكل 8 تأثير تصحيح انحراف المسبار. يتداخل المنحنيان المرجعيان ، مما يشير إلى أنه تم تعويض التأخير. توضح القياسات في الشكل 9 أهمية تصحيح الانحراف الصحيح. يوضح هذا المثال أن الانحراف يقدم خطأ قياس بنسبة 6٪. يقلل تصحيح الانحراف الدقيق من أخطاء قياس فقدان القدرة من الذروة إلى الذروة.
　　

الشكل 5. تأثيرات تأخير الانتشار على قياسات إمدادات الطاقة.

اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة
شكل 7. اتساع الذروة وقياس المساحة مع انحراف الوقت يظهر 6.059 واط.

يمكن لبرنامج قياس الطاقة DPOPWR أن يصحح تلقائيًا إزاحة الوقت لمجموعات مسبار مختارة. يتحكم البرنامج في راسم الذبذبات ويضبط التأخير بين قنوات الجهد والتيار بإشارات التيار والجهد في الوقت الفعلي لإزالة الاختلافات في تأخيرات الانتشار بين مجسات الجهد والتيار.

تتوفر أيضًا ميزة تصحح بشكل ثابت لانحراف الوقت ، ولكن فقط إذا كان لبعض مجسات الجهد والتيار تأخيرات انتشار ثابتة وقابلة للتكرار. تعمل ميزة تعويض وقت التصحيح الثابت تلقائيًا على ضبط التأخير بين قنوات الجهد والتيار المختارة لتحقيقات محددة (مثل مجسات Tektronix التي تمت مناقشتها في هذا المستند) استنادًا إلى جدول إرسال مدمج. توفر هذه التقنية طريقة سريعة ومريحة لتقليل انحراف الوقت.

القضاء على تحيز المسبار والضوضاء

قد يكون للمجسات التفاضلية والتحقيقات الحالية إزاحة صغيرة. يجب إزالة هذا الإزاحة قبل القياس لأنها تؤثر على دقة القياس. تحتوي بعض المجسات على طرق تلقائية مدمجة لإلغاء الإزاحة ، بينما يتطلب البعض الآخر إلغاء الإزاحة يدويًا.

الشكل 8. إشارات الجهد والتيار بعد تصحيح إزاحة الوقت.

إزالة الإزاحة تلقائيا

تعمل المجسات المزودة بواجهة مسبار TekVPI ™ ، جنبًا إلى جنب مع مرسمة الذبذبات ، على التخلص من أي أخطاء في إزاحة التيار المستمر تحدث في مسار الإشارة. اضغط على زر القائمة على مسبار TekVPITM ، يظهر مربع أدوات التحكم على راسم الذبذبات ، ويعرض وظيفة AutoZero. يؤدي تحديد خيار AutoZero إلى مسح أي أخطاء تعويض DC موجودة في نظام القياس تلقائيًا. تحتوي مجسات TekVPITM الحالية أيضًا على زر Degauss / AutoZero على جسم المجس. سيؤدي الضغط على الزر AutoZero إلى إزالة أي أخطاء تعويض DC موجودة في نظام القياس.

قم بإزالة الإزاحة يدويًا

تحتوي معظم مجسات الجهد التفاضلي على عناصر تحكم مدمجة في تقليم التيار المستمر ، مما يجعل إزالة الإزاحة خطوة بسيطة نسبيًا: بمجرد الانتهاء من التحضير ، بعد ذلك:

اضبط راسم الذبذبات لقياس متوسط ​​قيمة شكل موجة الجهد ؛

حدد إعداد الحساسية (الرأسي) الذي سيتم استخدامه في القياس الفعلي ؛

مع عدم وجود إشارة مطبقة ، اضبط أداة التشذيب على الصفر واجعل المستوى المتوسط ​​0 فولت (أو أقرب ما يكون إلى 0 فولت).

وبالمثل ، يجب تعديل المجسات الحالية قبل القياس. بعد التخلص من صفر الإزاحة:

اضبط حساسية راسم الذبذبات على القيمة التي سيتم استخدامها في القياس الفعلي ؛

قم بإيقاف تشغيل المسبار الحالي بدون إشارة ؛

اضبط رصيد DC على صفر ؛

اضبط القيمة المتوسطة إلى 0 A أو أقرب ما يمكن إلى 0 A ؛

لاحظ أن هذه المجسات عبارة عن أجهزة نشطة ، وسيكون هناك دائمًا بعض الضوضاء منخفضة المستوى حتى عند السكون. يمكن أن تؤثر هذه الضوضاء على القياسات التي تعتمد على بيانات شكل الموجة الحالية والجهد. تتضمن حزمة برامج DPOPWR ميزة تكييف الإشارة (الشكل 10) التي تقلل من تأثيرات ضوضاء المسبار الكامنة.

دور طول السجل في قياسات الطاقة

تعتمد قدرة مرسمة الذبذبات على التقاط الأحداث على مدى فترة زمنية على معدل أخذ العينات المستخدم وعمق الذاكرة (طول التسجيل) التي يتم فيها تخزين عينات الإشارات المكتسبة. تتناسب السرعة التي تملأ بها الذاكرة مع معدل أخذ العينات. إذا تم تعيين معدل أخذ العينات عاليًا لتوفير إشارة مفصلة عالية الدقة ، يمكن أن تمتلئ الذاكرة بسرعة.

بالنسبة للعديد من قياسات طاقة SMPS ، من الضروري التقاط ربع دورة أو نصف دورة (90 أو 180 درجة) لإشارة تردد الخط ، وبعضها يتطلب الدورة بأكملها. هذا لتجميع بيانات إشارة كافية لمواجهة آثار تقلبات جهد تردد الطاقة في الحسابات.

تحديد انتقالات Ton to Toff الأصلية

لتحديد الخسائر بدقة في انتقالات التبديل ، يجب أولاً تصفية التذبذبات في إشارة التبديل. يمكن بسهولة أن يخطئ التذبذب في إشارة تبديل الجهد لتحولات التشغيل أو إيقاف التشغيل. هذا التذبذب ذو السعة الكبيرة ناتج عن عناصر طفيلية في الدائرة عندما ينتقل SMPS بين وضع التيار المتقطع (DCM) ووضع التيار المستمر (CCM).

يوضح الشكل 11 إشارة تبديل في شكل مبسط. يجعل هذا التذبذب من الصعب على راسم الذبذبات تحديد التحولات الحقيقية للتشغيل أو الإيقاف. يتمثل أحد الحلول في التحديد المسبق لمصدر إشارة للتعرف على الحواف ، والمستوى المرجعي ، ومستوى التخلفية ، كما هو موضح في الشكل 12. اعتمادًا على مدى تعقيد الإشارة ومتطلبات القياس ، يمكن أيضًا استخدام الإشارة المقاسة نفسها كمصدر إشارة لمستوى الحافة. بدلاً من ذلك ، يمكن أيضًا تحديد بعض الإشارات الأنيقة الأخرى.

في بعض تصميمات تبديل إمدادات الطاقة ، مثل محولات تصحيح عامل الطاقة النشطة ، يمكن أن تكون التذبذبات أكثر حدة. يعمل وضع DCM على تحسين التذبذب بشكل كبير حيث يبدأ مكثف التبديل في الرنين مع محث المرشح. قد لا يكون مجرد تعيين المستويات المرجعية والتخلفية كافياً لتحديد التحولات الحقيقية.

في هذه الحالة ، يمكن لإشارة محرك البوابة لجهاز التبديل (أي إشارة الساعة في الشكلين 1 و 2) تحديد انتقالات التشغيل والإيقاف الحقيقية ، كما هو موضح في الشكل 13. بهذه الطريقة ، من الضروري فقط ضبط المستوى المرجعي ومستوى التباطؤ لإشارة محرك البوابة بشكل مناسب.

　　

اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة
الشكل 11. إشارة البوابة Vg المستخدمة لتحديد تحولات Ton و Toff

اختبار راسم الذبذبات تبديل مصدر الطاقة
الشكل 12. خصائص الإشارة النموذجية لأجهزة التبديل.