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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Osciloscópios digitais de fósforo. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Tecnologia de medição A ferramenta ideal para medições em circuitos de potência Nos últimos anos, houve um aumento acentuado no número de desenvolvimentos de projetos que exigem medições de potência em circuitos de potência. Além disso, o próprio conceito de "medição de potência" nesses circuitos sofreu mudanças significativas. A razão para isso é o uso generalizado de fontes de alimentação comutadas, que se tornaram parte integrante da maioria dos dispositivos eletrônicos modernos, incluindo computadores, bem como de muitos eletrodomésticos. Até recentemente, os projetistas de fontes de alimentação só precisavam confirmar se os blocos que desenvolviam forneciam a tensão e a corrente necessárias em um determinado nível de ondulação. Hoje, as tarefas dos desenvolvedores se tornaram mais complicadas. Agora, o projetista é obrigado, em particular, a fornecer informações completas sobre os níveis de potência e a composição harmônica da interferência gerada na rede de energia pela comutação de fontes de alimentação. Esses parâmetros dos dispositivos que ele desenvolve devem atender aos requisitos de padrões nacionais e internacionais de qualidade de energia em redes de energia (por exemplo, o padrão americano IEEE 519-1992). Para verificar com competência os dispositivos desenvolvidos quanto à conformidade com esses padrões, o projetista deve ser capaz de medir os sinais de saída de transistores de comutação de alta velocidade, ruído de tensão, características instantâneas de potência, etc. Tais medições podem ser bastante simplificadas por osciloscópios universais de uma nova classe - osciloscópios digitais de fósforo (DPO - Digital Phosphor Oscilloscope). Esses instrumentos fornecem tudo o que você precisa para medir a potência, incluindo exibição em tempo real das mudanças de potência, recursos avançados de disparo e uma interface inteligente para trabalhar com uma ampla gama de sondas (passivas e ativas, atuais, diferenciais). Alguns DLOs incorporam módulos FFT (Fast Fourier Transform), que simplificam muito a análise harmônica do sinal. Melhor que analógico, melhor que digital... Como as tarefas que surgem ao estudar as características das fontes de alimentação se tornaram muito mais complicadas, osciloscópios analógicos em tempo real (RTOS) e osciloscópios de armazenamento digital (DSOs) não são mais eficazes o suficiente hoje. Os DSOs permitem analisar os processos que ocorrem na comutação de fontes de alimentação (UPS). Eles possuem uma largura de banda bastante ampla, um sistema de sincronização desenvolvido e possibilitam uma análise detalhada de um sinal armazenado na memória, por exemplo, um transiente. No entanto, devido às limitações da arquitetura DSO serial, o tempo entre disparos adjacentes é longo o suficiente para que detalhes importantes do sinal possam ser perdidos. Além disso, os DSOs exibem todos os detalhes do sinal com a mesma intensidade, o que também leva à inevitável perda de informações. Quanto ao AOVR, eles exibem perfeitamente os sinais, permitem reproduzi-los em detalhes, mesmo com uma mudança rápida. Por definição, AODS fornece gradações de intensidade de imagem na tela, refletindo a frequência de ocorrência de certos componentes do sinal. Infelizmente, esses osciloscópios não armazenam o sinal, não permitem fazer medições complexas e analisar o sinal como um DSO. É por isso que os projetistas são forçados a usar esses dois dispositivos ao projetar e depurar um no-break. A tarefa de combinar as vantagens do AOVR e DSO em um único dispositivo - CLO - foi resolvida com o advento de uma nova arquitetura para a construção de osciloscópios. Baseia-se na tecnologia "digital phosphor", que imita digitalmente a mudança inerente na intensidade da imagem de um AODS. Em outras palavras, o DSO permite que os desenvolvedores vejam na tela, por exemplo, sinais modulados e todos os seus detalhes finos, assim como o AODS, enquanto fornece seu armazenamento, medição e análise, como o DSO. Medição instantânea de potência com DLO Ao desenvolver um no-break, é necessário conhecer os valores instantâneos de dissipação de energia em interruptores de potência de transistor (TSK). É o conhecimento desse parâmetro que permite escolher um TSC (por exemplo, um poderoso MOSFET no circuito da Fig. 1), que seria barato, mas garantiria uma operação confiável do dispositivo. O procedimento de medição de potência instantânea inclui medições diferenciais da corrente pulsada no respectivo circuito. O uso de uma sonda diferencial é obrigatório aqui, pois estamos interessados na tensão dreno-fonte no MOSFET (V ds na Fig. 1), e nenhum dos terminais deste transistor está conectado ao fio comum. O DSO, como a maioria dos outros osciloscópios, não foi projetado para medições diretas de altas tensões "flutuantes". A interface DLO TekProbe nível II do osciloscópio TDS3000 suporta tanto a ponta de prova diferencial P5205 quanto a ponta de prova de corrente TCP202 para medições de potência instantânea excepcionalmente precisas em uma ampla largura de banda.
Antes de realizar tais medições, é necessário equalizar os atrasos nos canais das sondas diferenciais e de corrente. Este procedimento é chamado de "deskewing". As pontas de prova mencionadas acima são combinadas em atraso de sinal com precisão de 2 ns, mas outras pontas de prova e outras combinações delas podem não fornecer mais essa precisão e devem necessariamente ser submetidas ao procedimento de "desendireitamento". Isso é muito importante porque mesmo pequenas diferenças de tempo entre medições de tensão e corrente podem levar a grandes erros na medição de valores de potência instantânea. Como outros osciloscópios digitais modernos, os DSOs possuem uma memória que, em particular, armazena os valores da diferença nos tempos de atraso entre diferentes pontas de prova. É medido com a ajuda do DLC de acordo com o sinal de teste e, em seguida, é gravado na memória do DLC. A função de configuração automática, que quase todos os DSO e DSO possuem, permite definir os parâmetros iniciais da imagem na tela do osciloscópio. Os resultados do procedimento de "endireitamento" são automaticamente levados em consideração. A tela LCD colorida é muito conveniente para exibir vários sinais ao mesmo tempo. Por exemplo, você pode atribuir cores diferentes às formas de onda de tensão, corrente e potência. Graças à interface inteligente TekProbe nível II, as informações digitais serão lidas e dimensionadas com precisão neste caso, de modo que não seja necessária interpretação adicional dos resultados. O DSO (como muitos DSOs) tem a capacidade de processar matematicamente os sinais estudados. Portanto, por exemplo, informações sobre valores de potência instantânea são obtidas simplesmente multiplicando - "ponto a ponto" - o valor da tensão atual pelo valor atual correspondente. Na fig. 2 mostra os resultados da medição de tensão e corrente e cálculo da potência instantânea conforme são exibidos na tela do DLC.
Estudando Sinais Modulados A capacidade do DLC de exibir informações com intensidade variável facilita muito a solução de problemas do no-break, especialmente a determinação da profundidade excessiva da modulação do sinal nos circuitos de regulação da tensão de saída do no-break. Modulação muito profunda é conhecida por causar instabilidade no UPS. Na fig. 3 mostra o sinal no loop de controle de tensão de saída do UPS com menor intensidade em áreas onde a modulação é menos frequente. O DRO aumenta a intensidade da imagem nas áreas da imagem onde o sinal aparece com mais frequência, e isso é semelhante a um osciloscópio analógico.
O DSO é ideal para exibir esses sinais, pois possui uma taxa de aquisição de sinal muito alta - mais de 50 vezes mais rápido que o DSO. Além disso, o display de fósforo digital permite observar os sinais modulados em tempo real. Pesquisa transitória O registro de processos transitórios com DLC é muito simples. Isso usa seus recursos de disparo de borda para definir inclinação, nível, tipo de link e atraso de disparo. Se o UPS já estiver integrado ao sistema, pode ser útil sincronizar a forma de onda do 'problema' do UPS sob investigação com um sinal obtido de um ponto de teste no sistema. Isso permitirá, em particular, identificar o sincronismo dos processos transitórios no sistema e no UPS e estabelecer sua relação. Obviamente, a tensão de saída CC do no-break deve ser "limpa" e sem transientes. A combinação de uma exibição de informações conhecida como "scrolling" com detecção de sinal de pico permite que o DLC detecte pulsos transitórios de curta duração em sinais de variação lenta ou DC. Ao "rolar", a imagem "rola" lentamente da direita para a esquerda, lembrando o trabalho de um gravador. O Peak Detector detecta picos no sinal com uma duração mínima de até 1 ns e altera a taxa de varredura para estudá-los em detalhes. Estudo da composição harmônica O estudo das componentes harmônicas dos sinais em circuitos de potência é uma tarefa muito importante no projeto de um UPS. O fato é que eles provocam interferência na rede de alimentação - harmônicos ímpares de sinais de pulso atuando no UPS. Além disso, ao conectar a uma rede, por exemplo, vários computadores, essas interferências podem ser somadas e atingir um nível perceptível como resultado. Como esses componentes (interferência) levam ao aumento da geração de calor em linhas de transmissão e transformadores de potência, eles devem ser minimizados (por exemplo, de acordo com IEC 555 e IEC 10003-2). Para resolver este problema, um CLO com blocos adicionais é adequado. Por exemplo, o TDS3000 pode ser equipado com um módulo FFT, tornando o osciloscópio uma excelente ferramenta para medir a distorção harmônica. Neste caso, é possível visualizar simultaneamente o sinal em estudo e sua composição espectral. A FFT pode ser usada para processar sinais ao vivo e armazenados. Obviamente, a compra de tal unidade é mais econômica do que a compra de um analisador de distorção harmônica especializado. Além disso, isso permite que os desenvolvedores usem não um novo instrumento, mas um osciloscópio que eles já conhecem bem. O procedimento para medir os componentes harmônicos de um sinal não é mais complicado do que as medições convencionais dos parâmetros de sinais periódicos, uma vez que eles são uma sequência periódica repetida de pulsos e não um transiente. Para obter uma boa resolução de análise, você precisa exibir pelo menos cinco ciclos do sinal em estudo na tela do osciloscópio (consulte a Fig. 4).
O usuário pode definir uma escala vertical linear ou logarítmica e várias opções para "janelas" FFT - retangular, Hamming, Hanning e Blackman-Harris. Para sinais periódicos, a janela de Hamming é mais adequada. A escala linear é comumente usada em medições de potência. A documentação dos resultados da medição é muito importante no projeto do dispositivo. Os CLOs (assim como as OSCs) oferecem amplas oportunidades para isso, o que facilita muito a preparação de relatórios. Um botão especial de "cópia impressa" permite imprimir uma imagem em uma impressora a jato de tinta ou a laser (conectada à porta paralela padrão do CLO). Você também pode salvá-lo em um disquete em vários formatos, incluindo .BMP, .EPS, .TIF, etc. DSO: um avanço na tecnologia de osciloscópio O osciloscópio de fósforo digital não apenas combina as melhores qualidades de instrumentos analógicos e digitais, mas também as excede significativamente. Ele tem todas as vantagens de um DSO (desde armazenamento de dados até tipos de sincronização complexos), ao mesmo tempo em que fornece os recursos especiais de AODS (resposta instantânea a mudanças de sinal e exibição de um sinal com brilho variável). Este último foi possível graças à emulação de fluorescência digital. A nova série TDS3000 DSO da Tektronix é representada por seis modelos de osciloscópios de dois e quatro canais com largura de banda de até 500 MHz, que possuem design compacto, peso leve (3,3 kg) e, opcionalmente, autônomo fonte de energia. Autor: A.Matvienko, gerente de desenvolvimento de mercado, Tektronix, (095)494-51-58
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