استخدام راسم الذبذبات الرقمي لقياس مصدر طاقة التبديل
تأتي مصادر الطاقة في مجموعة واسعة من الأنواع والأحجام، بدءًا من مصادر الطاقة التناظرية التقليدية وحتى مصادر طاقة التبديل عالية الكفاءة. إنهم جميعًا يواجهون بيئات عمل معقدة وديناميكية. يمكن أن تتغير أحمال المعدات ومتطلباتها بشكل كبير في لحظة. حتى مصادر تحويل الطاقة "اليومي" يجب أن تكون قادرة على تحمل القمم اللحظية التي تتجاوز بكثير متوسط مستويات التشغيل الخاصة بها. يحتاج المهندسون الذين يصممون مصادر الطاقة أو الأنظمة التي تستخدم مصادر الطاقة إلى فهم كيفية عمل مصدر الطاقة في ظل ظروف ثابتة وكذلك في ظل أسوأ الظروف.
في الماضي، كان تحديد سلوك مصدر الطاقة يعني قياس التيار والجهد الهادئين باستخدام مقياس رقمي متعدد وإجراء حسابات مضنية باستخدام الآلة الحاسبة أو الكمبيوتر الشخصي. اليوم، يلجأ معظم المهندسين إلى راسمات الذبذبات كمنصة مفضلة لقياس الطاقة. يمكن تجهيز راسمات الذبذبات الحديثة ببرامج متكاملة لقياس وتحليل الطاقة، مما يبسط عملية الإعداد ويجعل القياسات الديناميكية أسهل. يمكن للمستخدمين تخصيص المعلمات الرئيسية، وأتمتة العمليات الحسابية، ورؤية النتائج في ثوانٍ، وليس فقط البيانات الأولية.
قضايا تصميم إمدادات الطاقة ومتطلبات قياسها
من الناحية المثالية، يجب أن يتصرف كل مصدر طاقة مثل النموذج الرياضي الذي تم تصميمه من أجله. ولكن في العالم الحقيقي، تكون المكونات معيبة، ويمكن أن تتغير الأحمال، ويمكن أن تتشوه مصادر الطاقة، ويمكن أن تؤدي التغيرات البيئية إلى تغيير الأداء. علاوة على ذلك، فإن تغير متطلبات الأداء والتكلفة يجعل تصميم مصدر الطاقة أكثر تعقيدًا. فكر في هذه الأسئلة:
ما هو عدد واطات الطاقة التي يمكن لمصدر الطاقة أن يتحملها بما يتجاوز قوته المقدرة؟ كم من الوقت يمكن أن تستمر؟ ما مقدار الحرارة التي يتبددها مصدر الطاقة؟ ماذا يحدث عندما يسخن؟ ما مقدار تدفق هواء التبريد الذي يتطلبه؟ ماذا يحدث عندما يزيد تيار الحمل بشكل كبير؟ هل يمكن للجهاز الحفاظ على جهد الخرج المقدر؟ كيف يستجيب مصدر الطاقة لدائرة كهربائية كاملة عند الخرج؟ ماذا يحدث عندما يتغير جهد الدخل لمصدر الطاقة؟
يحتاج المصممون إلى تطوير مصادر طاقة تشغل مساحة أقل، وتقلل الحرارة، وتخفض تكاليف التصنيع، وتفي بمعايير EMI/EMC الأكثر صرامة. فقط نظام قياس صارم يمكنه تمكين المهندسين من تحقيق هذه الأهداف.
راسم الذبذبات وقياسات الطاقة
بالنسبة لأولئك الذين اعتادوا على إجراء قياسات النطاق الترددي العالي باستخدام راسم الذبذبات، قد تكون قياسات مصدر الطاقة بسيطة بسبب ترددها المنخفض نسبيًا. في الواقع، هناك العديد من التحديات في قياس الطاقة التي لا يتعين على مصممي الدوائر عالية السرعة مواجهتها أبدًا.
قد تكون مجموعة المفاتيح الكهربائية بأكملها ذات جهد عالي و"عائمة"، أي غير متصلة بالأرض. سيتغير عرض النبضة والفترة والتردد ودورة العمل للإشارة. يجب التقاط الشكل الموجي وتحليله بأمانة للعثور على أي حالات شاذة في الشكل الموجي. هذا يتطلب الكثير من الذبذبات. مجسات متعددة – مجسات أحادية النهاية، مجسات تفاضلية، مجسات حالية كلها مطلوبة. يجب أن يحتوي الجهاز على ذاكرة كبيرة لتوفير مساحة تسجيل لنتائج الحصول على التردد المنخفض على المدى الطويل. وقد يكون من الضروري التقاط إشارات مختلفة بسعات متفاوتة على نطاق واسع في عملية استحواذ واحدة.
أساسيات تحويل إمدادات الطاقة
إن بنية طاقة التيار المستمر السائدة في معظم الأنظمة الحديثة هي مصدر طاقة التبديل (تحويل مصدر الطاقة)، المعروف بقدرته على التعامل بفعالية مع الأحمال المتغيرة. يشتمل مسار إشارة الطاقة لمصدر طاقة التحويل النموذجي على مكونات سلبية ومكونات نشطة ومكونات مغناطيسية. يستخدم تبديل مصادر الطاقة أقل عدد ممكن من المكونات المفقودة (مثل المقاومات والترانزستورات الخطية) ويستخدم بشكل أساسي (مثاليًا) المكونات غير المفقودة: تبديل الترانزستورات والمكثفات والمكونات المغناطيسية.
تحتوي معدات تحويل الطاقة أيضًا على جزء تحكم، والذي يشتمل على منظم تعديل عرض النبضة، ومنظم تعديل تردد النبضة، وحلقة التغذية المرتدة 1 ومكونات أخرى. قد يكون لقسم التحكم مصدر طاقة خاص به. الشكل 1 عبارة عن رسم تخطيطي مبسط لمصدر طاقة التحويل، والذي يوضح جزء تحويل الطاقة، بما في ذلك الأجهزة النشطة والأجهزة السلبية والمكونات المغناطيسية.
تستخدم تقنية تحويل مصدر الطاقة أجهزة تبديل أشباه الموصلات للطاقة مثل ترانزستورات تأثير مجال أكسيد المعدن (MOSFETs) والترانزستورات ثنائية القطب ذات البوابة المعزولة (IGBTs). تتمتع هذه الأجهزة بأوقات تبديل قصيرة ويمكنها تحمل ارتفاعات الجهد غير المستقرة. وعلى نفس القدر من الأهمية، فهي تستهلك قدرًا قليلًا جدًا من الطاقة، وتتميز بالكفاءة العالية وتولد حرارة منخفضة، سواء في حالة التشغيل أو إيقاف التشغيل. تحدد أجهزة التبديل إلى حد كبير الأداء العام لمصدر طاقة التبديل. تشمل القياسات الرئيسية لأجهزة التبديل: فقدان التبديل، متوسط فقدان الطاقة، منطقة التشغيل الآمنة وغيرها.
