Metoda mjerenja prekidačkog napajanja digitalnim osciloskopom
Napajanja dolaze u velikom izboru tipova i veličina, od tradicionalnih analognih izvora napajanja do visokoučinkovitih prekidačkih izvora napajanja. Svi se moraju suočiti sa složenim i dinamičnim radnim okruženjem. Opterećenja opreme i zahtjevi mogu se dramatično promijeniti u trenutku. Čak i "svakodnevno" preklopno napajanje može izdržati trenutna vršna opterećenja koja znatno premašuju prosječnu radnu razinu. Inženjeri koji dizajniraju napajanje ili napajanje koje će se koristiti u sustavu moraju razumjeti kako napajanje radi u statičkim uvjetima, kao iu najgorim uvjetima.
U prošlosti je karakteriziranje ponašanja napajanja značilo mjerenje struje mirovanja i napona digitalnim multimetrom i izvođenje mukotrpnih izračuna pomoću kalkulatora ili računala. Danas se većina inženjera okreće osciloskopu kao preferiranoj platformi za mjerenje snage. Moderni osciloskopi mogu biti opremljeni integriranim softverom za mjerenje i analizu snage, što pojednostavljuje postavljanje i čini dinamička mjerenja lakšim. Korisnici mogu prilagoditi ključne parametre, automatizirati izračune i vidjeti rezultate u sekundi, a ne samo neobrađene podatke.
Problemi dizajna napajanja i potrebe za njihovim mjerenjem
U idealnom slučaju, svaki izvor napajanja trebao bi se ponašati kao matematički model za koji je dizajniran. Ali u stvarnom svijetu, komponente su neispravne, opterećenja mogu varirati, napajanje može biti iskrivljeno, a promjene okoline mogu promijeniti performanse. Također, promjenjivi zahtjevi za performansama i troškovima kompliciraju dizajn napajanja. Razmotrite ova pitanja:
Koliko vata može izdržati napajanje izvan svoje nazivne snage? Koliko može trajati? Koliko topline rasipa napajanje? Što se događa kada se pregrije? Koliki protok zraka za hlađenje treba? Što se događa kada se struja opterećenja znatno poveća? Može li uređaj održati nazivni izlazni napon? Kako se napajanje nosi s kratkim spojem na izlazu? Što se događa kada se ulazni napon napajanja promijeni?
Dizajneri moraju razviti napajanja koja zauzimaju manje prostora, smanjuju toplinu, smanjuju troškove proizvodnje i zadovoljavaju strože EMI/EMC standarde. Samo rigorozan sustav mjerenja može omogućiti inženjerima postizanje ovih ciljeva.
Osciloskop i mjerenje snage
Za one koji su navikli na mjerenja velike propusnosti s osciloskopom, mjerenja napajanja mogu biti jednostavna zbog njihovih relativno niskih frekvencija. Zapravo, postoje mnogi izazovi u mjerenju snage s kojima se dizajneri brzih strujnih krugova nikada ne moraju suočiti.
Cjelokupno rasklopno postrojenje može biti pod visokim naponom i "plutajuće", to jest, nije spojeno na masu. Širina impulsa, period, frekvencija i radni ciklus signala mogu varirati. Valni oblici moraju se uhvatiti i vjerno analizirati kako bi se otkrile anomalije u valnim oblicima. Ovo je zahtjevno za osciloskop. Višestruke sonde—potrebne su jednostrane, diferencijalne i strujne sonde u isto vrijeme. Instrument mora imati veliku memoriju kako bi osigurao prostor za snimanje dugoročnih rezultata niskofrekventne akvizicije. I može biti potrebno uhvatiti različite signale s vrlo različitim amplitudama u jednom prikupljanju.
Osnove prekidačkog napajanja
Dominantna arhitektura istosmjernog napajanja u većini modernih sustava je prekidačko napajanje (preklopno napajanje), koje je poznato po svojoj sposobnosti da učinkovito nosi s različitim opterećenjima. Put signala napajanja tipičnog prekidačkog napajanja uključuje pasivne komponente, aktivne komponente i magnetske komponente. Preklopni izvori napajanja koriste što je moguće manje komponenti s gubicima (kao što su otpornici i linearni tranzistori) i uglavnom (idealno) komponente bez gubitaka: preklopne tranzistori, kondenzatore i magnete.
Uklopni uređaj za napajanje ima i upravljački dio, koji uključuje regulator širinsko-impulsne modulacije, regulator frekvencijske modulacije impulsa i povratnu petlju 1 i druge komponente. Upravljački dio može imati vlastito napajanje. Slika 1 je pojednostavljeni shematski dijagram prekidačkog napajanja, koji prikazuje odjeljak za pretvorbu energije, uključujući aktivne uređaje, pasivne uređaje i magnetske komponente.
Tehnologija sklopnog napajanja koristi poluvodičke sklopne uređaje kao što su tranzistori s efektom metalnog oksida (MOSFET) i bipolarni tranzistori s izoliranim vratima (IGBT). Ovi uređaji imaju kratka vremena prebacivanja i mogu izdržati nestalne skokove napona. Jednako važno, troše vrlo malo energije u uključenom i isključenom stanju, vrlo su učinkoviti i generiraju nisku toplinu. Preklopni uređaji uvelike određuju ukupnu izvedbu sklopnog napajanja. Ključna mjerenja na sklopnim uređajima uključuju: prekidački gubitak, prosječni gubitak snage, sigurno radno područje i druga.
