Metoda mjerenja prekidačkog napajanja digitalnim osciloskopom
Napajanja dolaze u raznim vrstama i veličinama, od tradicionalnih izvora napajanja analognog tipa do visokoefikasnih prekidačkih izvora napajanja. Svi se moraju suočiti sa složenim i dinamičnim radnim okruženjem. Opterećenja i zahtjevi opreme mogu se dramatično promijeniti u trenu. Čak i "svakodnevno" prekidačko napajanje može izdržati trenutne vršne vrijednosti koje su znatno veće od svog prosječnog radnog nivoa. Inženjeri koji dizajniraju napajanje ili napajanje koje će se koristiti u sistemu moraju razumjeti kako napajanje radi u statičkim uvjetima, kao iu najgorim uslovima.
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 osciloskopu 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 potrebe za njihovim mjerenjem
U idealnom slučaju, svako napajanje treba da se ponaša kao matematički model za koji je dizajniran. Ali u stvarnom svijetu, komponente su neispravne, opterećenja mogu varirati, izvori napajanja mogu biti izobličeni, a promjene okoline mogu promijeniti performanse. Takođe, promene performansi i zahtevi za troškovima komplikuju dizajn napajanja. Razmotrite ova pitanja:
Koliko wata napajanje može izdržati iznad svoje nazivne snage? Koliko dugo može trajati? Koliko toplote odvodi napajanje? Šta se dešava kada se pregreje? Koliki protok vazduha za hlađenje mu je potreban? Šta se događa kada se struja opterećenja značajno poveća? Može li uređaj održavati nazivni izlazni napon? Kako se napajanje nosi sa kratkim spojem 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 mjerenja snage
Za one koji su navikli da vrše mjerenja visokog propusnog opsega pomoću osciloskopa, mjerenja napajanja mogu biti jednostavna zbog relativno niskih frekvencija. U stvari, postoje mnogi izazovi u mjerenju snage s kojima se dizajneri brzih kola nikada ne moraju suočiti.
Cijeli razvodni uređaj može biti visokonaponski i "plutajući", odnosno nevezan za uzemljenje. Širina impulsa, period, frekvencija i radni ciklus signala mogu varirati. Talasni oblici moraju biti uhvaćeni i vjerno analizirani kako bi se otkrile anomalije u talasnom obliku. Ovo je zahtjevno za osciloskop. Više sondi – istovremeno su potrebne jednostrane, diferencijalne 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 poznato po svojoj sposobnosti da efikasno podnese različita opterećenja. 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 (idealno) komponente bez gubitaka: prekidački tranzistori, kondenzatori i magneti.
Uređaj za sklopno napajanje također ima upravljački dio koji uključuje regulator širinske impulsne modulacije, regulator pulsne frekvencijske modulacije i povratnu petlju 1 i druge komponente. Kontrolni dio može imati vlastito napajanje. Slika 1 je pojednostavljeni šematski dijagram prekidačkog napajanja, koji prikazuje dio za konverziju energije, 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 nestalne skokove napona. Jednako važno, troše vrlo malo energije iu uključenom iu isključenom stanju, visoko su efikasni i stvaraju nisku toplinu. Preklopni uređaji u velikoj mjeri određuju ukupne performanse prekidačkog napajanja. Ključna mjerenja na komutacijskim uređajima uključuju: komutacijski gubitak, prosječan gubitak snage, sigurno radno područje i drugo.
