Upotreba digitalnog osciloskopa za mjerenje prekidačkog napajanja
Napajanja dolaze u raznim vrstama i veličinama, od tradicionalnih analognih napajanja do visokoefikasnih prekidačkih napajanja. Svi se suočavaju sa složenim i dinamičnim radnim okruženjima. Opterećenja i zahtjevi opreme mogu se značajno promijeniti u trenu. Čak i "svakodnevna" prekidačka napajanja moraju biti u stanju da izdrže trenutne vršne vrijednosti koje daleko premašuju njihove prosječne radne nivoe. Inženjeri koji projektuju izvore napajanja ili sisteme koji će koristiti izvore napajanja moraju razumjeti kako napajanje radi u statičkim uvjetima, kao iu najgorim uvjetima.
U prošlosti, karakteriziranje ponašanja izvora napajanja značilo je mjerenje struje i napona u mirovanju digitalnim multimetrom i izvođenje mukotrpnih proračuna pomoću kalkulatora ili PC-a. Danas se većina inženjera okreće osciloskopima kao svojoj preferiranoj platformi za mjerenje snage. Moderni osciloskopi mogu biti opremljeni integriranim softverom za mjerenje i analizu snage, što pojednostavljuje podešavanje i čini dinamička mjerenja lakšim. Korisnici mogu prilagoditi ključne parametre, automatizirati proračune i vidjeti rezultate za nekoliko sekundi, a ne samo neobrađene podatke.
Problemi dizajna napajanja i njihovi zahtjevi za mjerenje
U idealnom slučaju, svako napajanje treba da se ponaša kao matematički model za koji je dizajnirano. Ali u stvarnom svijetu, komponente su neispravne, opterećenja se mogu promijeniti, izvori napajanja mogu izobličiti, a promjene okoline mogu promijeniti performanse. Štaviše, promjenjivi zahtjevi za performansama i troškovima također čine dizajn napajanja složenijim. Razmotrite ova pitanja:
Koliko vati snage može izdržati napajanje iznad svoje nazivne snage? Koliko dugo može trajati? Koliko toplote odvodi napajanje? Šta se dešava kada se pregreje? Koliki je protok vazduha za hlađenje potreban? Šta se događa kada se struja opterećenja značajno poveća? Može li uređaj održavati nazivni izlazni napon? Kako napajanje reagira na potpuni kratki spoj na izlazu? Šta se događa kada se promijeni ulazni napon napajanja?
Dizajneri moraju razviti izvore napajanja koji zauzimaju manje prostora, smanjuju toplinu, smanjuju troškove proizvodnje i ispunjavaju strože EMI/EMC standarde. Samo rigorozan sistem mjerenja može omogućiti inženjerima da postignu ove ciljeve.
Osciloskop i mjerenje snage
Za one koji su navikli na mjerenje širokog opsega pomoću osciloskopa, mjerenja napajanja mogu biti jednostavna zbog njihove relativno niske frekvencije. U stvari, postoje mnogi izazovi u mjerenju snage s kojima se dizajneri kola velike brzine nikada ne moraju suočiti.
Cijeli razvodni uređaj može biti na visokom naponu i "plutajući", odnosno nije povezan sa zemljom. Širina impulsa, period, frekvencija i radni ciklus signala će se promijeniti. Talasni oblik se mora uhvatiti i vjerno analizirati kako bi se pronašle bilo kakve anomalije u talasnom obliku. Ovo je zahtjevno za osciloskop. Više sondi – potrebne su jednostrane sonde, diferencijalne sonde i strujne sonde. Instrument mora imati veliku memoriju kako bi osigurao prostor za snimanje za dugoročne rezultate akvizicije niske frekvencije. I možda će biti potrebno uhvatiti različite signale sa veoma različitim amplitudama u jednoj akviziciji.
Osnove prekidačkog napajanja
Dominantna arhitektura jednosmerne struje u većini modernih sistema je prekidačko napajanje (switching power supply), koje je dobro poznato po svojoj sposobnosti da efikasno upravlja promenljivim opterećenjima. Putanja signala napajanja tipičnog prekidačkog napajanja uključuje pasivne komponente, aktivne komponente i magnetne komponente. Prekidački izvori napajanja koriste što je moguće manje komponenti sa gubicima (kao što su otpornici i linearni tranzistori) i uglavnom koriste (idealno) komponente bez gubitaka: prekidačke tranzistore, kondenzatore i magnetne komponente.
Oprema za prekidačko napajanje također ima upravljački dio, koji uključuje regulator modulacije širine impulsa, regulator modulacije pulsne frekvencije, povratnu petlju 1 i druge komponente. Kontrolna sekcija može imati vlastito napajanje. Slika 1 je pojednostavljeni šematski dijagram prekidačkog napajanja, koji prikazuje dio za konverziju snage, uključujući aktivne uređaje, pasivne uređaje i magnetne komponente.
Tehnologija prekidačkog napajanja koristi poluvodičke sklopne uređaje kao što su tranzistori sa efektom polja metalnog oksida (MOSFET) i bipolarni tranzistori sa izolovanim vratima (IGBT). Ovi uređaji imaju kratko vrijeme uključivanja i mogu izdržati nestabilne skokove napona. Jednako važno, troše vrlo malo energije, visoko su efikasni i stvaraju nisku toplinu, bilo da su u uključenom ili isključenom stanju. Preklopni uređaji u velikoj mjeri određuju ukupne performanse prekidačkog napajanja. Glavna mjerenja sklopnih uređaja uključuju: komutacijski gubitak, prosječni gubitak snage, sigurno radno područje i drugo.
