Misurare e analizzare gli alimentatori con l’oscilloscopio

MISURE DI POTENZA –

Per garantire l’affidabilità, la stabilità, le prestazioni e la conformità degli alimentatori Smps, il progettista deve eseguire numerose e complesse misurazioni della potenza. Gli oscilloscopi dotati di software per l’analisi della potenza semplificano incredibilmente questo processo.

Idealmente, un alimentatore dovrebbe funzionare nel modo in cui è stato progettato. In realtà, i componenti non sono perfetti, i carichi variano, la linea di alimentazione può essere distorta e quindi una serie di fattori ne alterano le prestazioni. Il progetto di un alimentatore viene ulteriormente complicato dalle richieste di aumentarne le prestazioni, migliorarne l'efficienza, ridurne le dimensioni e i costi. Date tutte queste problematiche, il sistema di misura deve essere impostato in modo corretto per catturare accuratamente le forme d'onda e di conseguenza analizzare e risolvere i problemi. Argomenti importanti da considerare sono:

  • le modalità di acquisizione dell'oscilloscopio;
  • l'eliminazione dello sfasamento fra sonde di tensione e di corrente;
  • l'eliminazione dell'offset introdotto dalla sonda;
  • la smagnetizzazione della sonda di corrente;
  • i filtri della larghezza di banda.


• Modalità di acquisizione dell'oscilloscopio
- Le modalità di acquisizione dell'oscilloscopio controllano il modo in cui i segnali elettrici vengono campionati, elaborati e visualizzati. È importante capire come funzionano le modalità di acquisizione e l'effetto che hanno sulle misurazioni delle forme d'onda e della potenza. Ogni oscilloscopio presenta una modalità "sample", che è la modalità di acquisizione più semplice. L'oscilloscopio ricostruisce una forma d'onda acquisendo un punto di campionamento a ogni intervallo temporale dalla forma d'onda stessa. Si consiglia la modalità sample per le misurazioni come l'analisi del ripple e del rumore che richiedono acquisizioni multiple su segnali non ripetitivi. Un'altra modalità di acquisizione è la modalità "average". In modalità average viene calcolata la media dei punti di forme d'onda corrispondenti ad acquisizioni consecutive per produrre la forma d'onda che viene visualizzata alla fine. La modalità average riduce il rumore senza perdita di larghezza di banda, ma richiede un segnale ripetitivo. È molto utile quando vengono eseguite misurazioni per l'analisi delle armoniche o della qualità della potenza, come ad esempio la potenza reale, la potenza reattiva e la potenza apparente.

• Eliminazione dello sfasamento fra sonde di tensione e di corrente - Per eseguire delle misure di potenza con un oscilloscopio digitale, è necessario misurare la tensione e la corrente nel dispositivo sottoposto a test. Questo richiede una sonda di tensione (spesso una sonda differenziale ad alta tensione) e una sonda di corrente. Ogni sonda di tensione e di corrente ha il suo ritardo di propagazione caratteristico. La differenza nei ritardi fra la sonda di corrente e quella di tensione, noto come sfasamento, provoca misure di ampiezza e temporizzazione poco precise. È importante capire l'impatto del ritardo di propagazione delle sonde sulle misure dell'area e della potenza di picco massimo dato che la potenza è il prodotto della tensione e della corrente. Se i segnali della tensione e della corrente non sono perfettamente allineati, i risultati non saranno corretti. La correzione dello sfasamento fra le sonde è semplice negli oscilloscopi moderni. Scegliendo l'opzione "riallineamento" si regolano i valori di riallineamento delle sonde sui valori consigliati che sono recuperati dalla memoria interna della sonda. Per una maggiore precisione delle misurazioni sono necessari un generatore di impulsi di riallineamento e un dispositivo di riallineamento. Con le sonde collegate al dispositivo di riallineamento, è possibile inserire manualmente il "riallineamento effettivo" per modificare il valore di riallineamento consigliato così da allineare in modo preciso le forme d'onda.

• Eliminazione dell'offset della sonda - Le sonde differenziali tendono ad avere un leggero offset di tensione. Questo scostamento può influire sulla precisione e deve essere rimosso prima di effettuare delle misure. La maggior parte delle sonde differenziali di tensione hanno comandi integrati di regolazione della deviazione CC, che rendono molto semplice la procedura di rimozione dell'offset.
Inoltre, può essere necessario regolare le sonde di corrente prima di eseguire delle misure. La regolazione della deviazione delle sonde di corrente si esegue annullando il bilanciamento CC su un valore medio di 0 ampere.

• Smagnetizzazione - La sonda di corrente può anche avere una funzione di smagnetizzazione di facile utilizzo. La smagnetizzazione rimuove qualsiasi flusso CC residuo nel nucleo del trasformatore. Questo flusso residuo origina un errore della offset in uscita che deve essere rimosso per aumentare la precisione della misura che si vuole eseguire.

Le misure dell'alimentatore
Una volta impostato correttamente il sistema di misura, si può procedere con la misurazione della potenza. Le misurazioni di potenza di tipo comune possono essere divise in tre categorie: analisi dell'ingresso, analisi del dispositivo di commutazione e analisi dell'uscita.

L'analisi dell'ingresso
Le linee di alimentazione elettrica reali non forniscono mai onde sinusoidali ideali e sono sempre presenti una certa distorsione e impurità sulla linea. Un alimentatore a commutazione presenta un carico non lineare alla sorgente. A causa di questo, le forme d'onda della tensione e della corrente non sono identiche. La corrente viene tracciata per una parte del ciclo di ingresso, generando delle armoniche sulla forma d'onda della corrente di ingresso. Le principali misurazioni per analizzare l'ingresso dell'alimentatore sono le armoniche e la qualità della potenza.

• Armoniche - Gli alimentatori a commutazione tendono a generare nella maggior parte dei casi armoniche dispari che possono ritornare nella rete di alimentazione. L'effetto è cumulativo e poiché sempre più alimentatori a commutazione sono collegati alla rete (ad esempio, quando un ufficio aggiunge nuovi desktop), la percentuale totale di distorsione armonica che ritorna nella rete può aumentare. Poiché questa distorsione genera un accumulo di calore nel cablaggio e nei trasformatori della griglia di alimentazione, è necessario ridurre le armoniche. Determinare gli effetti di queste distorsioni costituisce una parte importante dell'ingegneria energetica e i benefici derivanti dall'utilizzo di un oscilloscopio piuttosto che un multimetro sono significativi. Il sistema di misura deve essere in grado di catturare le componenti armoniche fino alla 50esima rispetto della fondamentale. La frequenza della linea di potenza è solitamente di 50 o 60 Hz; anche se per alcune applicazioni militari o aeronautiche, la frequenza della linea può essere di 400 Hz. Analizzare le armoniche è semplice come misurare una forma d'onda ordinaria. Dato che il segnale in questo caso è una forma d'onda periodica ripetitiva, generarlo e visualizzarlo è estremamente semplice. Per ottenere una buona risoluzione della frequenza occorre visualizzare almeno cinque cicli e impostare la scala verticale in modo tale che il segnale occupi il maggior numero possibile di divisioni verticali sullo schermo per ottimizzare la gamma dinamica dell'oscilloscopio. Nel menu Visualizzazione si possono selezionare le misurazioni su un'armonica specifica. In questo esempio è stata selezionata la quinta armonica.

• Qualità della potenza - La qualità della potenza non dipende esclusivamente dal produttore di elettricità. Dipende anche dall'alimentatore e dal carico dell'utente finale. Le caratteristiche della qualità della potenza sull'alimentatore definiscono lo "stato di salute" dell'alimentatore e determinano gli effetti delle distorsioni causate da carichi non lineari. L'applicazione software della potenza dell'oscilloscopio fornisce una tabella di risultati con le seguenti misurazioni automatiche: Vrms e Irms, fattori di cresta della corrente e della tensione, potenza reale, potenza reattiva, potenza apparente e fattore di potenza.

L'analisi del dispositivo di commutazione
Gli alimentatori di potenza a commutazione o Smps (Switching Mode Power Supply) sono molto diffusi grazie alla loro capacità di gestire in modo efficiente il cambio di tensioni di ingresso e di carichi. L'Smps riduce l'uso di componenti a dissipazione di energia come i resistori e i transistor in modalità lineare ed evidenzia i componenti che sono (idealmente) privi di perdite di energia. I dispositivi Smps comprendono anche una sezione di controllo che contiene elementi come i regolatori a modulazione della durata dell'impulso, i regolatori a modulazione della frequenza dell'impulso e i loop di feedback. La tecnologia Smps fa uso di dispositivi semiconduttori a commutazione di potenza, come Mosfet e Igbt. Questi dispositivi offrono tempi di commutazione rapidi e sono in grado di reggere spike di alta tensione. I transistor dissipano pochissima energia negli stati fully-on e fully-off, quindi raggiungono un'alta efficienza con poca dissipazione di calore. Nella maggior parte dei casi, il dispositivo di commutazione determina le prestazioni complessive dell'Smps. Le principali misurazioni dei dispositivi di commutazione comprendono la perdita per commutazione, l'area operativa di sicurezza e la frequenza di rotazione.

• Perdita di commutazione - I circuiti di commutazione dei transistor solitamente dissipano la maggior parte dell'energia durante le transizioni perché i parassiti del circuito impediscono ai dispositivi di commutarsi istantaneamente. L'energia persa in un dispositivo di commutazione, come un Mosfet o un Igbt mentre passa dallo stato Off a On, viene definita perdita all'accensione. In modo analogo, la perdita allo spegnimento è l'energia persa quando il dispositivo di commutazione passa dallo stato On a off. I circuiti dei transistor perdono energia durante la commutazione a causa di elementi dissipativi nella capacità e nell'induttanza parassita e nel carico immagazzinato nel diodo. Un'analisi corretta di queste perdite è essenziale per caratterizzare l'efficienza dell'alimentatore e la potenza fornita. Le misure delle perdite per commutazione, come indicato nella Fig. 8, vengono eseguite su ogni singolo ciclo completo. Le perdite all'accensione e allo spegnimento si verificano a intervalli molto brevi. A questo scopo è necessario che la temporizzazione fra le forme d'onda di corrente e di tensione sia molto precisa, che le deviazioni del sistema di misurazione siano ridotte e che la gamma dinamica delle misurazioni sia in grado di misurare accuratamente le tensioni e le correnti di On e di Off. Un'altra sfida è costituita dalla gamma dinamica elevata necessaria per commutare accuratamente le misurazioni delle perdite. La tensione sul dispositivo di commutazione cambia drasticamente fra
gli stati On e Off, rendendo difficile misurare entrambi gli stati in una singola acquisizione. Esistono tre modi comuni per determinare i valori corretti:

  1. Misurare la caduta di tensione sul dispositivo di commutazione durante la conduzione. Dal momento che questa tensione è comunemente molto bassa rispetto alla tensione sul dispositivo di commutazione in assenza di conduzione, non è solitamente possibile misurare in modo preciso entrambe le tensioni sulle stesse impostazioni verticali sull'oscilloscopio.
  2. Fornire il valore di RDS(on) (modello migliore per Mosfet) sulla base delle schede tecniche del dispositivo. Questo valore è la resistenza On prevista fra il drain e la sorgente del dispositivo in presenza di conduzione.
  3. Fornire il valore di VCE(sat) (modello migliore per BJT and IGBT) sulla base delle schede tecniche del dispositivo. Questa è la tensione di saturazione prevista dal collettore all'emettitore del dispositivo quando viene saturato.

• Area operativa di sicurezza - La Soa (Safe Operating Area) di un transistor definisce le condizioni alle quali il dispositivo può funzionare senza danni; nello specifico, quanta corrente può attraversare un transistor a una determinata tensione. Il superamento di tali limiti può provocare il guasto del transistor. La Soa è una tecnica grafica di test che rappresenta le limitazioni del dispositivo di commutazione come la tensione, la corrente e la potenza massimi, e garantisce che il dispositivo di commutazione stia funzionando nei limiti specificati. Può essere creata una maschera definibile dall'utente per garantire che il dispositivo di commutazione rispetti le tolleranze definite per quanto riguarda la tensione, la corrente e la potenza.

• Frequenza di inversione della pendenza - Per verificare che il dispositivo di commutazione stia funzionando alla massima efficienza, la frequenza di inversione dei segnali di tensione e di corrente deve essere misurata per controllare che il circuito stia funzionando nel rispetto delle specifiche. L'oscilloscopio può essere utilizzato per determinare la frequenza di inversione dei segnali di commutazione usando cursori per la misurazione, semplificando la caratterizzazione del pilotaggio del gate e i calcoli dv/dt o di/dt di commutazione.

L'analisi dell'uscita
Idealmente, l'uscita di un alimentatore CC non deve presentare delle armoniche di commutazione o altri componenti del rumore non ideali. Realisticamente, questo non è possibile. Le misurazioni dell'analisi dell'uscita sono fondamentali per determinare gli effetti delle variazioni di tensione di ingresso, di carico o di tensione di uscita. Queste misurazioni comprendono l'analisi della modulazione e il ripple.

• Analisi della modulazione - Misurare gli effetti della modulazione con un oscilloscopio è semplice. La modulazione è importante in un sistema in retroazione per controllare il loop. Tuttavia, una modulazione eccessiva può far sì che il loop diventi instabile. La forma d'onda rossa è una forma d'onda matematica, che indica l'andamento nelle misurazioni della durata degli impulsi ciclo per ciclo realizzate su un segnale di pilotaggio del gate Igbt all'accensione dell'oscillatore dell'alimentatore. Dal momento che la forma d'onda matematica rappresenta i valori di misurazione della durata degli impulsi (con unità di tempo), le variazioni nelle durate degli impulsi possono essere misurate usando dei cursori. I valori matematici rappresentano gli andamenti nella misurazione della modulazione selezionata sulla forma d'onda acquisita. In questo caso, rappresenta la risposta del loop di controllo dell'oscillatore all'accensione. Questa analisi della modulazione potrebbe essere utilizzata anche per misurare la risposta del loop di controllo dell'alimentatore a un cambio di tensione di ingresso ("regolazione della linea") o a un cambio di carico ("regolazione del carico").

• Ripple - Il ripple è la tensione CA che viene sovrapposta all'uscita CC di un alimentatore. Viene espresso come una percentuale della normale tensione di uscita o come volt picco-picco. Gli alimentatori lineari solitamente vedono un ripple che si avvicina al doppio della frequenza della linea (~100 Hz), mentre gli alimentatori a commutazione possono avere un ripple di commutazione di centinaia di kHz.

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