Metóda merania spínaného zdroja energie digitálnym osciloskopom
Od tradičných analógových napájacích zdrojov až po efektívne spínané napájacie zdroje sa typy a veľkosti napájacích zdrojov veľmi líšia. Všetci čelia komplexnému a dynamickému pracovnému prostrediu. Zaťaženie zariadenia a dopyt sa môže v okamihu výrazne zmeniť. Dokonca aj „denný“ spínaný zdroj musí byť schopný odolať okamžitým špičkám, ktoré ďaleko presahujú jeho priemernú prevádzkovú úroveň. Inžinieri, ktorí navrhujú napájacie zdroje alebo systémy na používanie napájacích zdrojov, musia porozumieť pracovným podmienkam napájacieho zdroja v statických a najhorších podmienkach.
V minulosti popisovanie charakteristík správania zdrojov energie znamenalo použitie digitálneho multimetra na meranie statického prúdu a napätia a vykonávanie náročných výpočtov pomocou kalkulačky alebo počítača. Dnes sa väčšina inžinierov obracia na osciloskopy ako na svoju preferovanú platformu na meranie výkonu. Moderné osciloskopy môžu byť vybavené integrovaným softvérom na meranie a analýzu výkonu, ktorý zjednodušuje nastavenie a uľahčuje dynamické meranie. Používatelia si môžu prispôsobiť kľúčové parametre, automaticky počítať a vidieť výsledky v priebehu niekoľkých sekúnd, nie len surové údaje.
Problémy návrhu napájacieho zdroja a požiadavky na meranie
V ideálnom prípade by každý napájací zdroj mal fungovať ako matematický model určený preň. Ale v skutočnom svete sú komponenty chybné, záťaž sa môže meniť, napájanie môže byť skreslené a zmeny prostredia môžu zmeniť výkon. Neustále sa meniace požiadavky na výkon a náklady navyše robia návrh napájacieho zdroja zložitejším. Zvážte tieto problémy:
Koľko wattov výkonu dokáže napájací zdroj udržať nad jeho menovitý výkon? Ako dlho to môže trvať? Koľko tepla vyžaruje napájací zdroj? Čo sa stane, keď sa prehreje? Aký prietok chladiaceho vzduchu si vyžaduje? Čo sa stane, keď sa záťažový prúd výrazne zvýši? Dokáže si zariadenie udržať svoje menovité výstupné napätie? Ako reaguje napájací zdroj na úplný skrat na výstupnom konci? Čo sa stane, keď sa zmení vstupné napätie napájacieho zdroja?
Dizajnéri musia vyvinúť napájacie zdroje, ktoré zaberú menej miesta, znížia teplo, znížia výrobné náklady a budú spĺňať prísnejšie normy EMI/EMC. Iba prísny systém merania môže inžinierom umožniť dosiahnuť tieto ciele.
Osciloskop a meranie napájania
Pre tých, ktorí sú zvyknutí používať osciloskop na merania s veľkou šírkou pásma, môže byť meranie výkonu jednoduché, pretože jeho frekvencia je relatívne nízka. V skutočnosti existuje aj veľa výziev, ktorým konštruktéri vysokorýchlostných obvodov nikdy nemusia pri meraní výkonu čeliť.
Napätie celého rozvádzača môže byť vysoké a plávajúce, čo znamená, že nie je uzemnené. Šírka impulzu, perióda, frekvencia a pracovný cyklus signálu sa budú meniť. Je potrebné pravdivo zachytiť a analyzovať priebeh a odhaliť akékoľvek abnormality v priebehu. Požiadavky na osciloskopy sú náročné. Viaceré sondy – súčasne vyžadujúce sondy s jedným koncom, diferenciálne sondy a prúdové sondy. Prístroj musí mať veľkú pamäť, aby poskytoval záznamový priestor pre dlhodobé výsledky nízkofrekvenčného získavania. A môže to vyžadovať zachytenie rôznych signálov s významnými rozdielmi v amplitúde pri jednom snímaní.
Základy spínaného napájania
Hlavnou architektúrou jednosmerného napájania vo väčšine moderných systémov je spínaný zdroj napájania (SMPS), ktorý je známy svojou schopnosťou efektívne sa vyrovnať s meniacimi sa záťažami. Cesta elektrického signálu typického spínaného zdroja zahŕňa pasívne komponenty, aktívne komponenty a magnetické komponenty. Spínané zdroje by mali minimalizovať použitie stratových súčiastok ako sú rezistory a lineárne tranzistory a hlavne používať (ideálne) bezstratové súčiastky ako sú spínacie tranzistory, kondenzátory a magnetické súčiastky.
Zariadenie spínaného zdroja má tiež riadiacu časť, ktorá obsahuje komponenty ako regulátor pulznej šírkovej modulácie, regulátor pulznej frekvenčnej modulácie a spätnoväzbovú slučku 1. Riadiaca časť môže mať vlastný napájací zdroj. Obrázok 1 je zjednodušený schematický diagram spínaného zdroja, ktorý zobrazuje časť premeny energie vrátane aktívnych zariadení, pasívnych zariadení a magnetických komponentov.
Technológia spínaného napájania využíva výkonové polovodičové spínacie zariadenia, ako sú tranzistory s oxidovým poľom (MOSFET) a bipolárne tranzistory s izolovaným hradlom (IGBT). Tieto zariadenia majú krátky čas spínania a vydržia nestabilné napäťové špičky. Rovnako dôležité je, že spotrebúvajú veľmi málo energie v otvorenom aj zatvorenom stave, s vysokou účinnosťou a nízkou tvorbou tepla. Spínacie zariadenia do značnej miery určujú celkový výkon spínaných zdrojov. Medzi hlavné merania spínacích zariadení patria: strata spínania, priemerná strata výkonu, bezpečný pracovný priestor a iné.
