Tektronix MSO/DPO5000 Yeni Osiloskop Serisi Güç Çevirim

Tektronix MSO/DPO5000 Yeni Osiloskop Serisi
Güç Çevirim Ölçmelerinde Yüksek Performans ve Otomasyon Sağlar
Netes Mühendislik
www.netes.com.tr
Günümüzde tasarımcılar güç çevirim verimliliğini %80
veya üzerinde gerçekleştirmek için artan bir baskı altındadırlar. Bu trend, yenilebilinir enerji kaynakları, medikal teknolojiler ve elektro mobilite gibi geleceğin büyüyen etmenleri tarafından yönlendirilir. Bundan sonra anahtarlamalı
mod besleme kaynağı, güneş enerjisi çevirimi için DC/AC
envertör, DC-DC, AC-AC topolojileri gibi tüm ürün ve sistem
tasarımlarında enerji verimliliği kelimeleri düstur kabul edilerek, daha az güç tüketen yeşil ürünler amaçlanacaktır.
Bütün bunlar, tasarım mühendislerinin güç ölçümleri ile
ilgili olarak bir takım özel ölçümler yaparak, kaynağın davranışını karakterize edip, problemleri tespit etmelerini
gerektirmektedir. Geçmişte, bu ölçmeler sayısal multimetre
ile gerilimin ve akımın statik değerleri ölçülüp, hesap makinası veya bilgisayar ile hesaplamaları yapılarak yerine getirilirdi. Günümüzde ise, güç ölçümlerinde mühendislerin
çoğu osiloskop kullanmayı tercih etmektedir. Bu yazıda,
windows tabanlı en son nesil güç ölçüm yazılımı ile donatılmış yeni Tektronix DPO/MSO5000 serisi osiloskop kullanarak anahtarlamalı mod güç kaynaklarında genel AC-DC
güç ölçülmesi açıklanmaktadır.
DPOPWR olarak adlandırılan analiz yazılımı, osiloskopu
gelişmiş bir analiz aracına dönüştürüp, güç kaynağı anahtarlarındaki ve manyetik bileşenlerdeki güç kaybını hızlı bir
şekilde analiz edip, kullanıcının isteğine göre düzenlenebilen formatta test raporu yaratır.
Güç kaynakları ölçümü için hazırlık
Hassas ölçümler yapmak için, güç ölçme sistemi dalga
şekillerini yüksek doğrulukta yakalayıp analiz ve hata tespiti
yapabilecek şekilde kurulmalıdır. Göz önünde bulundurulması gereken konular:
• Gerilim ve akım probları arasındaki kayıklığın-“skew”
giderilmesi
• Prob offset değerlerinin giderilmesi
• Akım problarının Degaussing (istenilmeyen manyetik alanın giderilmesi) işlemi
DPOPWR uygulama yazılımı ile “deskew”- kayıklık giderme işlemi, probların deskew bağlantı aparatına bağlanması
halinde otomatik olarak yapılır.
Diferansiyel problarda az da olsa bir offset gerilimi vardır.
Endüstriotomasyon / 76
Bu offset, ölçüm hassasiyetini etkileyeceği için ölçümler
başlamadan yok edilmelidir. Genellik ile diferansiyel gerilim
probları üzerinde DC offset ayarlama kontrolu bulunmaktadır, bu ayar olanağı ile offset giderilmesi nispeten basit bir
işlemdir.
Ölçümlere başlamadan önce, aynı şekilde akım probları
üzerinde de offset giderilmesi gereklidir. Akım probları offset ayarı, DC dengesini sıfırlayarak, ortalama sıfır değerine
mümkün olduğu kadar yakın ayarlanması ile sağlanır. Bazı
gelişmiş problarda, otomatik degauss/oto-sfırlama prosedürü olup, kompanzasyon kutusundaki bir düğmeye basmak yeterli olmaktadır.
Güç Kaynağı karakterizasyonu- manyetik karakteristikler
Tüm güç kaynaklarında manyetik bileşenlerin önemli bir
yeri vardır, güç kaynağının stabilitesini ve verimliliğinin tespiti için manyetik bileşenlerin karakterize edilmesi esastır.
Endüktans: Endüktör, transformatör gibi değişik aygıtların
endüktansı, DPOPWR uygulaması ile donatılmış bir osiloskop tarafından otomatik olarak ölçülebilir, bu ölçmede, zamana göre gerilim ve akım değişimleri ölçülerek, otomatik olarak endüktas değeri hesaplanır.
Manyetik güç kayıpları: Anahtarlamalı mod güç kaynaklarının
verimliliği, güvenirliliği ve performansını yüksek doğrulukta
karakterize edebilmek için manyetik güç kayıplarının analizi
gereklidir. Çekirdek ve bakır kayıpları olarak ortaya çıkan
başlıca iki manyetik kayıp bulunmaktadır. Gerçekleştirilen
ölçümlerde çekirdek kayıplarını, bakır kayıplarından tamamı ile izole etmek nerede ise imkansızdır. Bu problemi
çözebilmek için toplam manyetik güç kaybı ölçülür, daha
sonra manyetik bileşenlerin teknik spesifikasyonunda belirtilen çekirdek kayıbı toplam değerden çıkartılır. DPOPWR
yazılım programı ile bu işlemler otomatik olarak gerçekleştirilir.
B-H : B-H (mıknatıslanma) eğrileri genellik ile anahtarlamalı
güç beslemelerinde manyetik elemanların satürasyonunu
doğrulamak için kullanılır, ve çekirdek malzemesinin bir
hacim biriminin bir periyotta enerji kaybının ölçümü sağlanır.
Güç analiz yazılım paketi, manyetik element üzerinde gerilim
ve akım ölçümü yaparak B-H eğrisini otomatik olarak üretir.
Şekil 1: DPOPWR Analiz Yazılımı ile elde edilen B-H eğrisi
Şekil 2: DPOPWR kullanılarak anahtarlama kaybı ölçümü
Güç kaynağı karakteristikleri- Elektriksel özellikler
Güç kaynağının bileşenlerinin tamamına yakını, güç kaybına bir şekilde neden olurlar. Anahtarlamalı mod güç
kaynaklarında, enerji kaybının büyük bir bölümü, anahtarlama transistörünün “kapalı”konumdan “açık” konuma
geçişlerinde (açılma kayıpları) veya tersi (kapanma
kayıpları) oluşur. Anahtarda oluşan ısı iletimi ve radyasyonu ise sistemde diğer bir enerji kaybının kaynağını
oluşturur.
Yüksek Güç-Hi power arayıcı : Yüklerin dinamik olarak
değişmesi ile anahtarlamalı mod besleme kaynağı anahtarlama aygıtının tüm güç kaybını etkiler. Bu durumda besleme kaynağı gerilim ve akım limitlerinin üzerine çıkar, bunun
sonucundada güç sınırını zorlar. Bu neden ile anahtarlama
elementlerindeki oluşabilecek anlık güç kayıplarının belirlenen sınırlar içinde oluşacağından tasarımcıların emin olması gerekir. Güç ölçüm yazılımına dahil olan yüksek güç arayıcı özelliği ile, anahtarlamalı dalga şekilleri üzerinde oluşan
anlık güç tepe noktaları tespit edilir. Bu analiz aracı ile tüm
tepe noktalarının verileri tanımlanır ve oluşan güç tepe noktaları olaylar için bir özet hazırlanır. Anlık güç tepe noktalarının analizi yanında, yüksek güç bulucu sistemde, tepe
nokta güç sırasında oluşan enerji kayıplarınıda hesaplar.
Sistemde bulunan tüm bileşenlerin belirtilen performans
limitleri içinde çalışması halinde kayıplar asgariye indirilir. Anahtarlama transistörlerinin emniyetli çalışma alanı
(Safe Operating Area –OSA) değerlendirilmesinde cihazın normal çalışma şartları içinde, baskı altında olmadan
çalışmasının sağlanması gerekliliği belirlenmiştir.
Anahtarlama kayıplarının ölçülmesi: Anahtarlama devresinin açılışı veya kapanışı sırasında anahtarlama kayıpları
olur. Anahtarlamalı mod besleme devresinin açılışı sırasında, çeşitli fiziksel ve parazitik kondansatörlerin dolar,
endüktörler manyetik alan oluşturur ve bunlarla ilgili olarak geçici dirençsel kayıplar oluşur. Aynı şekilde anahtarlamalı mod besleme sistemi kapalı konuma alınması
halinde, ana besleme kapalı bile olsa, boşalan enerji diğer
elementler ile etkileşim yapar, ve bu şartlar altında
kapanma kayıpları oluşur. Anahtarlama kayıplarının ölçümü, güç ölçüm yazılımı kullanılarak, anahtarlama transistörünün üzerinde gerilim ve akım problanması ile yapılır.
Emniyetli çalışma alanı: Anahtarlama transistörünün emniyetli çalışma alanı-safe operating area (SOA)- belirli bir
gerilimde transistör üzerinden akan akım ile tanımlanır.
Transistörler açık (doyumda- satürasyon) ve kapalı konumlar arasında değişim gösterirler, bu neden ile hasarlanmadan transistörü çalıştırmak için gerilim ve akım şartlarını
incelemek gereklidir. Bu limitlerin aşılması halinde transistör arızalanacağı için emniyetli çalışma alanını tespit ederek, güç kaynağının hassas ve emniyetli çalışması sağlanır.
DPOPWR yazılımı ile bu bilgiye tek bir eğri üzerinde ulaşılır,
Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı tasarımcıları bu bilgiyi,
güç kaynağında kullanılan transistörleri değişik kullanım
şartlarında test etmek için kullanırlar. Bu işlem koruyucu
devre tasarımını kolaylaştırır.
77 / Endüstriotomasyon
Şekil 3: DPOPWR kullanılarak Emniyetli Çalışma Alanı tespiti
Şebeke Girişi Analizi
Elektriğin kaynaktan kullanıcıya kadar nakil işi karmaşık bir
yapıda olup, elektrik üretimi, nakli ve dağıtımı safhalarından
oluşur. Elektrik üretimindeki arz ve talep dengesi, meteorolojik değişiklikler, enerji nakil hatlarının kalitesi, kullanıcının
tesisatı, bütün bu parametreler, kullanıcıya erişen enerjinin
kalitesi üzerinde etki yapar. Anahtarlamalı mod güç kaynakları lineer yük olmadıkları için, enerji hattından çektikleri
gerilim ve akım dalga şekilleri aynı değildir. Yük akımı, giriş
gerilim dalga şeklinin periyotunun belli bir kısmında çekilir,
bu neden ile giriş akım dalga şeklinde harmonikler oluşur.
Güç kaynaklarının besleme hatlarına olan etkilerinin analizi
için, güç kalitesi, toplam güç kalitesi, ve akım harmonikleri
ölçümleri kullanılır.
Güç Kalitesi: Güç kalitesi ile elektrik gücünün beslediği
yükün teknik özelliklerin uygun bir şekilde çalışmasına atıfta bulunulur. Lineer olmayan yüklerin neden olduğu distorsiyonları güç ölçümü ile görmek olanaklıdır. Mevcut şebeke
güç kalitesi ile Anahtarlamalı Mod Besleme Kaynağının performansının mükemmelliği daha iyi anlaşılır.
Akım harmonikleri: Güç kaynaklarının gerçek hayattaki
yükleri lineer değildir, kullanıcının çalıştırma şartlarını
değiştirmesi, ya da aygıtların ısınması veya soğuması
ile yük artar veya azalır. Bu yük değişimleri sonucunda
gerilim ve akım dalga şekillerinde distorsiyonlar oluşur.
Bu doğrusalsızlık (nonlinearity), besleme kaynağının
açık-kapalı konuma geçişlerinde,giriş hattına bağlı
rezistif, kapasitif ve endüktif yüklerin ani akım çekmesi
nedeni ile oluşmaktadır. Buna ek olarak kaynak geriliminde oluşan ani değişikliklerde besleme kaynağı fonksiyonlarında doğrusalsızlığa (nonlinearity) neden
olmaktadır. Yükte oluşan değişikliklere karşı giriş
gücünde görülen reaksiyonlar güç ölçüm yazılım programı ile basit ve hızlı bir şekilde raporlanır.
Toplam güç kalitesi: The DPOPWR yazılımı ile, sistemin
akım harmonikleri ve güç kalitesi özeti de dahil olmak
üzere toplam güç kalitesi analizi yapılır.
Çıkış gücü analizi
Özellik ile, anahtarlamalı güç kaynaklarında, şebeke hattında, anatarlamada, spektrumda ve açılma süresinde
oluşan dalgacıklar (ripple), çıkış gücü ölçmelerinde
önemli bir yer tutar.
Şebeke hattı ve anahtarlamada oluşan dalgacıklar (ripple) : Güç kaynağının çıkış gücünün kaliteli olarak nitelenmesi için, asgari seviyede gürültü ve dalgacık ihtiva
etmelidir. Basit bir söylem ile, DC çıkışın üzerine AC
gerilimin binme yapması halinde dalgacık (ripple) oluşur. Şebeke hattında oluşan dalgacık (ripple) ölçümünde hat frekansından kaynaklanan dalgacıkların miktarı
tespit edilir, anahtarlama dalgacık ölçümünde ise, anahtarlama frekansı tarafından çıkışta meydana gelen dalgacıklar ölçülür. Genellik ile çıkıştaki dalgacıkların miktarı, hat frekansının iki katı kadardır, anahtarlamada oluşan dalgacıklar ise gürültü ile kuplajlı olup, mertebesi
kilohertz’dir. Giriş hattı dalgacıklarını, anahtarlama dalgacıklarından ayırabilmek, güç kaynağı karaktetizasyonunda zor bir işlemdir. DPOPWR güç analiz yazılımı ile
bu işlem basite indirgenir.
Spektral analiz: Yazılımın spektral analiz özelliği ile, sistemin yaydığı elektromanyetik girişime (EMI) katkısı
olan frekans bileşenlerinin analizi yapılır. DC çıkış gerilimi üzerinde de gürültü ve dalgacık( ripple) ölçümü
yapmak olanaklıdır. Bu analiz olanağı ile, test edilen sistemin filtre gereksinimine gerek olup olmadığı kolaylık
ile belirlenir.
Şekil 4: DPOPWR kullanılarak elde edilen güç kalitesi ölçümleri
Endüstriotomasyon / 78
Açılma süresi: Açılma süresi ile, bir güç kaynağınna
enerji tatbik edilip, çıkışında geçerli ve kullanılabilinir
bir güç oluşmasına kadar geçen süreye denir.
Geleneksel olarak bu süre SPICE veya matematik modeller kullanılarak yapılan simülasyon veya modelleme ile
tespit edilir. DPOPWR yazılımı, osiloskopun skalasını
otomatik olarak ayarlayıp, toplam açılma süresini hesaplayarak bu işlemi basitleştirir. Ayrıca bu güç analiz yazılımı ile üç değişik güç çıkışı simültane olarak analiz edilebilinir.
Sayısal güce yöneliş
Geleneksel olarak güç kaynağı tasarımlarında sabit işlevsellikleri olan analog IC’ler kullanılarak regüle güç sağlanır.
Yeni Akıllı Güç Kaynakları, mikrokontrol ünitesi (MCU) veya
sayısal sinyal kontrol (DSC) ile donatılarak, tam programlama ve esnek çözümler sunmaktadır. Aşağıda Akıllı Güç
Kaynakları (Intelligent Power Supply) fonksiyonlarından
bazıları sıralanmaktadır:
Güç kaynağı ön uyumluluk testi
Güç sistemi kalitesi, endüstride, şehir ve kasabalarda
enerji tüketiminin artması ile daha da önem kazanacaktır. Özellik ile güç sistemlerinin tek sıralı harmonikleri,
güç şebekesine geri dönüş yapabildikleri için önemlidirler. Tek sıralı harmonikler oluşması halinde bina içerisindeki kablo tesisatında ve güç dağıtım şebekesine bağlı
transformatörlerde ısı meyadana gelir, bu neden ile sistemdeki harmonikleri yok etmek gereklidir.
Akıllı Güç Kaynağı Fonksiyonları
-Alçak seviyede bekleme gücü belirleme için sayısal
Açma-Kapama (On/Off) kontrolu
-Güç kaynağı sıralama ve enerji altında değiştirme
kontrolu
-Programlanabilen düşük profilde başlatma
-Güç kaynağı olay kayıtları ve arıza yönetimi
-Çıkış gerilimi sınırlaması
-Akım geri dönüşü kontrolu
-Regülasyon referans ayarları
-Kompanzasyon devresi kontrol ve ayarı
-Güç kontrol döngüsünün tam sayısal kontrolu
-Durum izlenmesi ve kontrolu için haberleşme
Bu doğrultuda atılacak ilk adım, güç sistemlerinin
IEC uyumluluklarını, IEC61000-3-2 Sınıf A, B, C ve D,
IEC61000-3-2 AMD14 Sınıf C ve D, Askeri Standart MILSTD-1399 göre test etmek gerekir. Bu düzenleyici mekanizmalar, güç kalitesinin doğrusalsız (non-lineer) olmayan yüklerden dolayı etkilenmemesini emniyete alır.
IEC61000-3-2, daha çok, güç şebekesi uyumluluğu için
jenerik standartdır, MIL-1399 ise askeri gemi elektrik
güç sistemleri ile ilgili standarttır.
Karışık Sinyal Osiloskopu Tektronix MSO5000 serisinin
sunduğu, kenar zamanlama çözünürlüğü 60.6 ps olan 16
sayısal kanal olanağı ile güç kontrol devrelerinin sayısal
sinyallerini de kontrol edebilirsiniz.
IEC61000-3-2 standartı, kamusal güç sistemine enjekte
edilen akım harmoniklerinin sınırını belirler. Her bir faz
akımı 16A’e kadar olup, kamusal alçak gerilim dağıtım
sistemine (230 V AC veya 415 V AC 3 faz) bağlı tüm
elektriksel ve elektronik ekipmanları kapsar. Bu standart
şu bölümlerden oluşmaktadır: Sınıf A, (dengeli 3 fazlı
ekipman), Sınıf B ( taşınabilir ekipman), Sınıf C (aydınlatma ekipmanı ve dimmerler), Sınıf D ( belli akım dalga
şekillerine gereksinimi olan ekipman)
DPOPWR yazılımı ile, tasarımcılar, sertifikasyon işlemine
başlamadan önce, ürünlerinin performansını uyulması
gerekli standartlar ile hızlı bir şekilde karşılaştırır.
Tasarım ve hata ayıklama işlemlerini kolaylaştırmanın
dışında, ürünün pazara arzınıda hızlandırır.
Raporlama
Veri toplama, arşivleme ve dokumantasyon işlemleri can
sıkıcı olmakla beraber tasarım ve geliştirme sürecinde
gereklidir. DPOPWR yazılımı, raporlama donanımı ile
tüm ölçüm sonuçlarının dokumantasyonunu yerine
kolayca ve zahmetsizce yerine getirir, ayrıca raporun
şekli kullanıcı isteğine göre düzenlenebilir.
Özet
DPOPWR güç ölçüm uygulama yazılımı ve windows 7
tabanlı Tektronix MSO/DPO5000 yeni osiloskoplar ile
mühendisler, kısa bir kurma süresi sonunda hızlı bir şekilde, ayrıca el ile hesap yapmaya gerek kalmadan hassas
ölçümler yapar. Ekran görüntüsü yakalama ve dosya kayıt
özellikleri ile osiloskop uygulama yazılımı tüm işleri gerçekleştirip, tek bir grafik üzerinde enstrüman ayarlarını, dalga
şekillerini ve ölçüm sonuçlarını gösteren yüksek kaliteli bir
dokümantasyon sağlar.
79 / Endüstriotomasyon