שיטה למדידת ספק כוח מיתוג עם אוסילוסקופ דיגיטלי
מספקי כוח אנלוגיים מסורתיים ועד לספקי כוח מיתוג יעילים, הסוגים והגדלים של ספקי הכוח משתנים מאוד. כולם מתמודדים עם סביבות עבודה מורכבות ודינמיות. עומס הציוד והביקוש עשויים לעבור שינויים משמעותיים ברגע. אפילו ספק כוח מיתוג "יומי" חייב להיות מסוגל לעמוד בשיאים מיידיים העולים בהרבה על רמת הפעולה הממוצעת שלו. מהנדסים שמתכננים ספקי כוח או מערכות לשימוש בספקי כוח צריכים להבין את תנאי העבודה של ספק הכוח בתנאים סטטיים ובמקרה הגרוע ביותר.
בעבר, תיאור המאפיינים ההתנהגותיים של מקורות כוח פירושו שימוש במולטימטר דיגיטלי למדידת זרם ומתח סטטיים, וביצוע חישובים מפרכים באמצעות מחשבון או מחשב. כיום, רוב המהנדסים פונים לאוסילוסקופים כפלטפורמת מדידת הספק המועדפת עליהם. אוסילוסקופים מודרניים יכולים להיות מצוידים בתוכנה משולבת למדידת הספק וניתוח, מה שמפשט את ההגדרה ומקל על המדידה הדינמית. משתמשים יכולים להתאים אישית פרמטרים מרכזיים, לחשב אוטומטית ולראות תוצאות תוך שניות, במקום רק נתונים גולמיים.
בעיות בתכנון ספק כוח ודרישות מדידה
באופן אידיאלי, כל ספק כוח צריך לעבוד כמו המודל המתמטי המיועד עבורו. אבל בעולם האמיתי, רכיבים פגומים, עומסים יכולים להשתנות, אספקת החשמל עשויה להיות מעוותת ושינויים סביבתיים יכולים לשנות את הביצועים. יתרה מכך, דרישות הביצועים והעלות המשתנות ללא הרף הופכות גם את תכנון ספק הכוח למורכב יותר. שקול את הנושאים הבאים:
כמה וואט כוח יכול ספק הכוח לשמור מעבר להספק הנקוב שלו? כמה זמן זה יכול להימשך? כמה חום פולט ספק הכוח? מה קורה כשהוא מתחמם יתר על המידה? כמה זרימת אוויר לקירור זה דורש? מה קורה כאשר זרם העומס גדל באופן משמעותי? האם המכשיר יכול לשמור על מתח המוצא המדורג שלו? כיצד מגיב ספק הכוח לקצר מוחלט בקצה הפלט? מה קורה כאשר מתח הכניסה של ספק הכוח משתנה?
מעצבים צריכים לפתח ספקי כוח שתופסים פחות מקום, להפחית חום, להפחית את עלויות הייצור ולעמוד בתקני EMI/EMC מחמירים יותר. רק מערכת מדידה קפדנית יכולה לאפשר למהנדסים להשיג את המטרות הללו.
מדידת אוסילוסקופ ואספקת חשמל
למי שרגיל להשתמש באוסילוסקופ למדידות ברוחב פס גבוה, מדידת הספק עשויה להיות פשוטה מכיוון שהתדירות שלה נמוכה יחסית. למעשה, ישנם גם אתגרים רבים שמעצבי מעגלים מהירים לעולם אינם צריכים להתמודד איתם במדידת הספק.
המתח של המתג כולו עשוי להיות גבוה וצף, כלומר אינו מוארק. רוחב הפולסים, התקופה, התדירות ומחזור העבודה של האות ישתנו כולם. יש צורך ללכוד ולנתח את צורת הגל בכנות ולזהות כל חריגות בצורת הגל. הדרישות לאוסילוסקופים תובעניות. בדיקות מרובות - דורשות בו זמנית בדיקות בודדות, בדיקות דיפרנציאליות ובדיקות זרם. המכשיר חייב להיות בעל זיכרון גדול כדי לספק שטח הקלטה לתוצאות ארוכות טווח של רכישה בתדר נמוך. וזה עשוי לדרוש לכידת אותות שונים עם הבדלי משרעת משמעותיים ברכישה אחת.
יסודות החלפת ספק כוח
ארכיטקטורת ספק הכוח ה-DC המיינסטרים ברוב המערכות המודרניות היא ספק כוח מיתוג (SMPS), הידוע ביכולתו להתמודד ביעילות עם עומסים משתנים. נתיב האות החשמלי של ספק כוח מיתוג טיפוסי כולל רכיבים פסיביים, רכיבים אקטיביים ורכיבים מגנטיים. החלפת ספקי כוח צריכה למזער את השימוש ברכיבים מאבדים כגון נגדים וטרנזיסטורים ליניאריים, ובעיקר להשתמש (באופן אידיאלי) ברכיבים ללא הפסדים כגון טרנזיסטורי מיתוג, קבלים ורכיבים מגנטיים.
להתקן אספקת החשמל המיתוג יש גם חלק בקרה, הכולל רכיבים כגון וסת אפנון רוחב פעימה, ווסת אפנון תדר פעימה ולולאת משוב 1. לחלק הבקרה עשוי להיות ספק כוח משלו. איור 1 הוא דיאגרמה סכמטית פשוטה של ספק כוח מיתוג, המציגה את חלק המרת הכוח, כולל התקנים אקטיביים, התקנים פסיביים ורכיבים מגנטיים.
טכנולוגיית מיתוג אספקת הכוח משתמשת בהתקני מיתוג מוליכים למחצה, כגון טרנזיסטורי מתכת תחמוצת שדה (MOSFET) וטרנזיסטורי שער דו-קוטביים מבודדים (IGBT). למכשירים אלה יש זמן מיתוג קצר ויכולים לעמוד בפני קוצים לא יציבים במתח. לא פחות חשוב, הם צורכים מעט מאוד אנרגיה במצב פתוח וסגור, עם יעילות גבוהה וייצור חום נמוך. התקני מיתוג קובעים במידה רבה את הביצועים הכוללים של מיתוג ספקי כוח. המדידות העיקריות של התקני מיתוג כוללות: אובדן מיתוג, אובדן חשמל ממוצע, אזור עבודה בטוח ועוד.
