Usando um osciloscópio digital para medir uma fonte de alimentação chaveada
As fontes de alimentação vêm em uma ampla variedade de tipos e tamanhos, desde fontes de alimentação analógicas tradicionais até fontes de alimentação chaveadas de alta eficiência. Todos eles enfrentam ambientes de trabalho complexos e dinâmicos. As cargas e demandas dos equipamentos podem mudar significativamente em um instante. Mesmo as fontes de alimentação chaveadas “cotidianas” devem ser capazes de suportar picos instantâneos que excedem em muito seus níveis operacionais médios. Os engenheiros que projetam fontes de alimentação ou sistemas que utilizarão fontes de alimentação precisam entender como a fonte de alimentação opera sob condições estáticas, bem como nas piores condições.
No passado, caracterizar o comportamento de uma fonte de alimentação significava medir a corrente e a tensão quiescentes com um multímetro digital e realizar cálculos meticulosos com uma calculadora ou PC. Hoje, a maioria dos engenheiros recorre aos osciloscópios como sua plataforma preferida de medição de potência. Os osciloscópios modernos podem ser equipados com software integrado de medição e análise de potência, simplificando a configuração e facilitando as medições dinâmicas. Os usuários podem personalizar parâmetros-chave, automatizar cálculos e ver resultados em segundos, não apenas dados brutos.
Problemas de design da fonte de alimentação e seus requisitos de medição
Idealmente, toda fonte de alimentação deveria se comportar como o modelo matemático para o qual foi projetada. Mas no mundo real, os componentes estão defeituosos, as cargas podem mudar, as fontes de alimentação podem distorcer e as mudanças ambientais podem alterar o desempenho. Além disso, as mudanças nos requisitos de desempenho e custo também tornam o projeto da fonte de alimentação mais complexo. Considere estas questões:
Quantos watts de potência a fonte de alimentação pode sustentar além de sua potência nominal? Quanto tempo pode durar? Quanto calor uma fonte de alimentação dissipa? O que acontece quando superaquece? Quanto fluxo de ar de resfriamento é necessário? O que acontece quando a corrente de carga aumenta significativamente? O dispositivo pode manter a tensão nominal de saída? Como a fonte de alimentação responde a um curto-circuito completo na saída? O que acontece quando a tensão de entrada da fonte de alimentação muda?
Os projetistas precisam desenvolver fontes de alimentação que ocupem menos espaço, reduzam o calor, reduzam os custos de fabricação e atendam aos padrões EMI/EMC mais rígidos. Somente um sistema de medição rigoroso pode permitir que os engenheiros atinjam esses objetivos.
Osciloscópio e medições de potência
Para aqueles acostumados a fazer medições de alta largura de banda com um osciloscópio, as medições da fonte de alimentação podem ser simples devido à sua frequência relativamente baixa. Na verdade, existem muitos desafios na medição de potência que os projetistas de circuitos de alta velocidade nunca terão que enfrentar.
Todo o quadro pode estar em alta tensão e “flutuante”, ou seja, não conectado ao terra. A largura do pulso, o período, a frequência e o ciclo de trabalho do sinal serão alterados. A forma de onda deve ser capturada e analisada fielmente para encontrar quaisquer anomalias na forma de onda. Isso é exigente para o osciloscópio. Várias sondas – São necessárias sondas de terminação única, sondas diferenciais e sondas de corrente. O instrumento deve ter uma grande memória para fornecer espaço de gravação para resultados de aquisição de baixa frequência de longo prazo. E pode ser necessário capturar sinais diferentes com amplitudes amplamente variadas em uma única aquisição.
Noções básicas de comutação de fonte de alimentação
A arquitetura de energia CC dominante na maioria dos sistemas modernos é a fonte de alimentação chaveada (fonte de alimentação chaveada), que é bem conhecida por sua capacidade de lidar com eficiência com cargas variáveis. O caminho do sinal de energia de uma fonte de alimentação chaveada típica inclui componentes passivos, componentes ativos e componentes magnéticos. As fontes de alimentação chaveadas usam o mínimo possível de componentes com perdas (como resistores e transistores lineares) e usam principalmente (idealmente) componentes sem perdas: transistores chaveadores, capacitores e componentes magnéticos.
O equipamento de fonte de alimentação chaveada também possui uma parte de controle, que inclui um regulador de modulação de largura de pulso, um regulador de modulação de frequência de pulso e um circuito de feedback 1 e outros componentes. A seção de controle pode ter sua própria fonte de alimentação. A Figura 1 é um diagrama esquemático simplificado de uma fonte de alimentação chaveada, que mostra a parte de conversão de energia, incluindo dispositivos ativos, dispositivos passivos e componentes magnéticos.
A tecnologia de fonte de alimentação chaveada usa dispositivos de comutação de semicondutores de potência, como transistores de efeito de campo de óxido metálico (MOSFETs) e transistores bipolares de porta isolada (IGBTs). Esses dispositivos têm tempos de comutação curtos e podem suportar picos de tensão instáveis. Igualmente importante, consomem muito pouca energia, são altamente eficientes e geram pouco calor, quer estejam ligados ou desligados. Os dispositivos de comutação determinam em grande parte o desempenho geral de uma fonte de alimentação chaveada. As principais medições de dispositivos de comutação incluem: perda de comutação, perda média de potência, área operacional segura e outras.
