Simulare l’impianto elettrico di un veicolo con un analizzatore di alimentazione Dc

MISURE DI POTENZA –

L’impiego di un analizzatore di alimentazione DC può semplificare la simulazione delle forme d’onda all’interno dell’impianto elettrico di un autoveicolo, offrendo funzioni simili a quelle di più strumenti combinati in una comoda soluzione da banco.

Una delle principali tendenze attuali del mercato automobilistico è di rendere il veicolo più sicuro, più affidabile e più confortevole grazie all'uso di nuove applicazioni telematiche (ad esempio tracciatura del percorso, navigazione satellitare, comunicazioni mobili e impianto Tv) e meccatroniche (ad esempio sistema antibloccaggio, sistema antipattinamento e airbag). Man mano che i costruttori si impegnano a sviluppare nuove tecnologie in questi settori, l'elettronica presente nell'autoveicolo e i relativi componenti aumentano sempre di più. Analogamente, aumenta il numero di centraline richieste per controllare i nuovi componenti elettronici. La maggior parte degli impianti elettronici nei moderni autoveicoli hanno, ad esempio, un numero di centraline compreso tra 6 e 12. Queste, e i sistemi elettronici da esse controllati, operano in un ambiente elettrico estremamente impegnativo e sono costantemente soggetti ai transitori e cali di tensione che si verificano nell'impianto di alimentazione, a causa di correnti elevate generate da motori, solenoidi e altri componenti dell'impianto elettrico. In questo ambiente estremamente ostile nessun guasto è tollerato, poiché comprometterebbe la fiducia che il consumatore nutre nei confronti del proprio veicolo, per non parlare della sicurezza del conducente e dei passeggeri. Un funzionamento corretto dell'impianto elettronico dell'autoveicolo dipende quindi da un'adeguata immunità ai transitori di potenza, e di conseguenza il collaudo delle centraline e dei componenti elettronici diventa un'operazione estremamente importante. Alcuni standard di collaudo, come Iso-7637 e Iso-16750, descrivono le forme d'onda di diversi segnali transitori e vengono in aiuto ai progettisti di autoveicoli nelle misure dei transitori di potenza, ma queste forme d'onda sono difficili da realizzare e richiedono apparecchiature costose e specializzate. È quindi nata una nuova categoria di strumenti - l'analizzatore di alimentazione in corrente continua - che offre oggi ai tecnici di misura un'alternativa flessibile ed economicamente valida. Questo nuovo tipo di strumento consente ai tecnici di collaudare i componenti elettronici utilizzati in un autoveicolo, simulando differenti condizioni di alimentazione. Ciò garantisce che i componenti continuino a funzionare nel modo corretto, indipendentemente dalle condizioni di alimentazione dell'impianto, come un brusco assorbimento in fase di accensione del veicolo, che produce dei cali di tensione sui componenti elettrici.

Le nuove sfide
Poter simulare l'impianto elettrico di un veicolo è estremamente importante per un progettista di autoveicoli, ma il processo può essere arduo. Si consideri ad esempio la forma d'onda relativa a un calo di tensione. Per garantire il funzionamento corretto dei componenti elettrici, il progettista deve collaudare adeguatamente i componenti in una varietà di scenari di alimentazione. Questi scenari rappresentano profili di accensione del motorino di avviamento, guasti oppure cali di tensione nell'impianto elettrico di alimentazione. La simulazione delle diverse forme d'onda di potenza viene fatta tradizionalmente con sistemi di collaudo realizzati appositamente per tale scopo. Si tratta di soluzioni generalmente create dagli stessi progettisti e che richiedono l'utilizzo di apparecchiature specializzate, come un'alimentazione a risposta rapida, un generatore di funzioni ad alta velocità, un'interfaccia industriale per Pc e software appositamente sviluppati per ricreare le forme d'onda di potenza richieste. Spesse volte, queste apparecchiature specializzate devono essere ordinate a fornitori esterni. E, poiché gli strumenti di collaudo sono scelti specificatamente per le prove da effettuare, essi non consentono di modificare più di tanto le impostazioni di misura. Inoltre, per il collaudo finale dei componenti elettronici, il progettista è costretto a recarsi in laboratorio di misura locale specializzato, visto che il numero di sistemi personalizzati è basso per via dei costi elevati. Sebbene questi sistemi di collaudo personalizzati siano costosi e poco versatili e richiedano inoltre il dispendio di tempo ed energie, evitare del tutto di simulare le forme d'onda di potenza sarebbe comunque una scelta troppo rischiosa e che potrebbe generare problemi non visibili prima della fase di produzione. I problemi principali che si potrebbero verificare sono il silenziamento dell'autoradio all'accensione del motorino di avviamento, oppure un'interruzione momentanea del funzionamento dei telefoni cellulari integrati nel veicolo. Gli odierni costruttori di automobili non possono permettersi di andare alla ricerca di questi problemi in fase di produzione.

Un'alternativa migliore
Grazie a una nuova categoria di strumenti che fornisce la versatilità e la funzionalità richieste per ricreare alcune delle forme d'onda di potenza che si manifestano durante l'alimentazione dei componenti elettrici di un autoveicolo (ad esempio derive nella tensione di lavoro, curve di carica ripide, profili di accensione nel motorino di avviamento e cali di tensione), i progettisti possono ora collaudare una centralina utilizzando i transitori più problematici, direttamente dal proprio banco di prova. Ciò fa risparmiare tempo e denaro e dà al tecnico l'opportunità di risolvere i problemi della centralina prima ancora di recarsi al lontano e costoso laboratorio di qualificazione. L'analizzatore di alimentazione Dc combina insieme più strumenti, tra cui un generatore di forme d'onde arbitrarie, diversi alimentatori in corrente continua, un multimetro digitale, un oscilloscopio e un data logger unico contenitore. È in grado di produrre differenti forme d'onda di tensione e possiede uno slew-rate configurabile tramite un intuitivo pannello frontale. Grazie a queste funzioni, l'analizzatore di potenza in c.c. fornisce un metodo economico, semplice e altamente efficiente per generare, misurare e analizzare le tensioni e le correnti in continua presenti nei componenti elettrici. Questo nel giro di qualche minuto e non di ore, e senza dover scrivere una singola riga di codice.
Per meglio comprendere come un analizzatore di alimentazione Dc possa essere utilizzato per simulare rapidamente e agevolmente i transitori nell'impianto elettrico di un autoveicolo, si consideri l'esempio seguente che utilizza l'analizzatore di alimentazione Dc N6705A con slew-rate programmabile fino a 5 V in 160 µs, a seconda del modulo utilizzato. Il controllo della forma d'onda arbitraria incorporato nella soluzione consente al progettista di creare tensioni e correnti con nove diverse forme d'onda: a sinusoide, a gradino, a impulso, a rampa, a trapezoide, a scalino, esponenziale e definita dall'utente. Le forme d'onda sono tutte configurabili dal quadro strumenti, eliminando la necessità di scrivere righe di codice.

Inizialmente, il segnale viene replicato dall'analizzatore di alimentazione DC N6705A, creando in quattro passi una forma d'onda definita dall'utente. La forma d'onda di tensione è descritta dai seguenti parametri:
- inizia a 14 V;
- scende a 9 V per 10 secondi;
- si porta a 4,5 V per un breve intervallo di 100 millisecondi;
- risale a 9 V per 1 secondo;
- infine, ritorna a 14 V.

Quando la forma d'onda è stata creata, può essere visualizzata in modalità oscilloscopio. Si noti che in questo esempio, l'analizzatore di alimentazione Dc è in grado di misurare e visualizzare i dati del dispositivo in prova, di tensione e di corrente, su un display simile a quello di un oscilloscopio. Esso consente inoltre agli utenti di memorizzare le impostazioni e i dati di visualizzazione delle forme d'onda definite dall'utente su una memoria interna oppure su una chiavetta Usb esterna.

Un gran numero di vantaggi
L'impiego dell'analizzatore di alimentazione Dc per simulare i transitori nell'impianto elettrico dell'autoveicolo può fornire vantaggi significativi al progettista dell'autoveicolo. Tanto per cominciare, poiché la soluzione vanta funzioni simili a quella di più soluzioni discrete combinate insieme, offre tempi molto più rapidi e costi di misura inferiori. Il processo - complesso, pesante e lungo - di configurare e programmare più soluzioni discrete (ad esempio sonde di corrente e resistori di derivazione) viene completamente eliminato. In realtà, lo schema dell'analizzatore di alimentazione Dc lo rende la soluzione ideale nella validazione dei progetti, ove la semplicità di configurazione e di utilizzo sono estremamente importanti. Un altro vantaggio chiave che deriva dall'eliminazione della necessità di utilizzare più apparecchiature, riguarda lo sviluppo e il debug dei programmi che controllano tali strumenti. Tradizionalmente, nell'eseguire compiti complessi che richiedono il collegamento simultaneo di più strumenti di misura e la loro interazione fisica, il rischio di errore aumenta. I progettisti dell'area di ricerca e sviluppo possono scegliere di automatizzare prove che siano troppo complesse da fare manualmente. Ma anche se i compiti automatizzati riducono l'errore umano, la scrittura e il debug dei programmi aggiungono altro lavoro ai già troppo indaffarati progettisti. L'analizzatore di potenza di alimentazione Dc elimina completamente la necessità di sviluppare e correggere programmi. Tutte le funzioni e tutte le misure sono disponibili dal pannello anteriore e non occorre nessun Pc, né tantomeno driver o programmi. La configurazione diventa quindi molto più semplice e veloce. Come ulteriore vantaggio, l'analizzatore di alimentazione Dc consente all'utente di riprodurre le forme d'onda catturate, prelevando i dati da un file ".CVS" e importandoli in una forma d'onda definita dall'utente - una caratteristica essenziale per garantire una misura accurata dei transitori presenti nell'impianto elettrico. Idealmente, il collaudo di una centralina dovrebbe avvenire all'interno del veicolo stesso, nelle normali condizioni operative. Poiché ciò non è praticabile, la cosa migliore da fare è catturare o registrare i transitori di tensione man mano che si verificano nel veicolo e riprodurli successivamente nel laboratorio di sviluppo al fine di collaudare la centralina. Per catturare i transitori, il progettista semplicemente collega un oscilloscopio al punto dell'impianto elettrico relativo alla centralina e quindi crea le condizioni che di solito generano i transitori, come l'accensione del motore, l'attivazione del compressore e l'azionamento del condizionatore dell'aria. Si noti che l'oscilloscopio N6705A citato nell'esempio precedente non può essere utilizzato per catturare questa forma d'onda poiché esso riesce solo a misurare la potenza erogata (ovvero la potenza che viene da esso generata). Tutti i transitori di potenza che si verificano vengono catturati e le informazioni vengono quindi inviate all'analizzatore di alimentazione Dc per essere replicate tramite la funzione di forma d'onda arbitraria incorporata.

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