Tápegység hullámossága és hullámossági tényezője
A tápegység fő funkciója, hogy elektromos energiát biztosítson az elektronikai termékek számára, de az áramellátás során elkerülhetetlenül hullámzást, zajt stb. okoz, ami csökkenti az elektronikai rendszer, sőt a teljes termék stabilitását és megbízhatóságát.
A feszültség hullámossága nagymértékben befolyásolhatja a tápegység különböző áramköreit, például A/D átalakító áramkört, műveleti erősítő áramkört, egyenirányító szűrő áramkört stb. A gyakori alkalmazások a következő veszélyekkel járnak:
Váratlan felharmonikusok keletkeznek, amelyek túlfeszültség vagy túláram okozta baleseteket okoznak; növeli a további veszteséget és csökkenti az elektromos berendezések hatékonyságát és kihasználtságát;
A berendezés rendellenes működése, az öregedés felgyorsítása és az élettartam lerövidítése; a relévédelmet, az automatikus eszközöket, a számítógépes rendszereket és más berendezéseket rendellenesen működtetni, vagy nem megfelelően működni;
A mérő- és mérőműszereket eltéríteni kell; zavarja a kommunikációs rendszereket, rontja a jelátvitel minőségét, és még a kommunikációs berendezéseket is károsítja.
Ezért az elektronikai termékek tervezésekor pontosan meg kell mérni a hullámzást, és egy bizonyos tartományon belül el kell nyomni a hullámzást.
1 Tápegység hullámossága és hullámzási tényezője
Szigorúan véve a stabilizált tápegység négy részből áll: teljesítménytranszformátorból, egyenirányító áramkörből, szűrőáramkörből és feszültségstabilizátor áramkörből. Mivel a DC-DC is tekinthető stabilizált tápegységnek, az egyenirányító áramkör, a szűrőkör és a stabilizált feszültségű áramkör a stabilizált tápegység szükséges három részének tekintendő [1].
Az egyenirányító áramkör egyirányú vezető eszközöket használ a váltakozó áram pulzáló egyenárammá alakítására. A pulzáló egyenáram nem egyenletes, és nagy mennyiségű váltóáramot tartalmaz.
A szűrőáramkör az energiatároló elem segítségével a pulzáló egyenáramot viszonylag lapos egyenárammá alakítja át. A szűrőáramkör eltérő teljesítménye miatt a váltakozó áramú komponensek nagy része ugyan kiszűrhető, de teljesen nem szűrhető ki.
A feszültségstabilizáló áramkör az egyenirányítás és szűrés után az áramkör beállítási funkcióját használja a kimeneti feszültség stabilizálására és az AC komponens minimálisra csökkentésére. Ezt az AC komponenst, amelyet a stabil feszültségkimenettel nem lehet teljesen kiszűrni, hullámfeszültségnek nevezzük.
Az egyenáramú szabályozott tápegység szűrőteljesítményének jellemzésére bevezettük a hullámossági együttható fogalmát [2-3]. Határozzuk meg a ψ hullámzási együtthatót a Vr hullámzási feszültség effektív értékének és a Vo DC kimeneti feszültségnek a százalékos értékeként, nevezetesen:
A hullámzási együttható fontos mutató az egyenáramú tápegység stabil és tiszta kimenetének értékeléséhez. A fenti képlet alapján látható, hogy a hullámossági feszültséget meg kell mérni a hullámossági együttható meghatározásához.
2 Az áramellátás hullámzásának mérése
A tápegység hullámzásának pontos mérése általában két műszert igényel, nevezetesen az elektronikus terhelést (Electronic Load) és a digitális tárolóoszcilloszkópot (Digital Storage Oscilloscope, DSO).
Az elektronikus terhelés kényelmesen szabályozza az áramerősséget, és általában állandó ellenállás módban (CR) van beállítva; a digitális tároló oszcilloszkóp képes közvetlenül rögzíteni a teljes hullámformát, tárolni és felerősíteni, és kiolvasni a hullámzási értéket. Helyettesítse be az oszcilloszkóp leolvasását a képletbe, hogy megkapja a hullámossági tényezőt.
A mérés során a következő két pontra kell ügyelni (ez a két pont különösen fontos a mérési eredmények pontossága szempontjából):
(1) A digitális tárolóoszcilloszkóp szonda földelővezetékét ki kell húzni, és a szondaszerelvényben lévő földrugócsapra kell cserélni. Megakadályozhatja, hogy a földhurok EMI-zajba kapcsoljon, és pontatlanná teheti a mérési eredményt.
A szonda földelővezetéke túl hosszú és a hurok területe túl nagy, ezért vevőantennát képezve nagyfrekvenciás zűrzavar vagy EMI-zaj kapcsolódik a mért jelhez.
(2) A digitális tárolóoszcilloszkópnak magának kell módosítania a beállításokat.
A digitális tárolóoszcilloszkópnak jó földeléssel kell rendelkeznie, hogy tovább szűrje a tápegységből származó zűrzavart; használja a digitális tárolóoszcilloszkóp váltóáramú csatolását az egyenáram blokkolására, így a hullámzásteszt intuitívabb és pontosabb;
Az általános hullámosságteszt megköveteli, hogy a frekvenciát 20 MHz alá korlátozzák, ezért a digitális tárolóoszcilloszkópnak meg kell nyitnia a 20 MHz-es sávszélesség határát a nagyfrekvenciás zajok elkülönítése érdekében.
3 Módszerek a tápfeszültség hullámzásának elnyomására
Általában négy módszer létezik a szabályozott tápegység kimeneti feszültségének hullámzásának elnyomására: RLC szűrési módszer, közös módú szűrési módszer, ferrit mágneses gyűrűs szűrési módszer és a három módszer kombinációja.
A DC-DC tápfeszültség hullámzásának elnyomására szolgáló szűrőáramkört kísérleti ellenőrzéssel mutatjuk be. Az ellenőrző kísérletben egy 100 W-os DC-DC tápegységet választottak 48 V-os bemenettel és 5 V-os kimenettel, és a modell a Meanwell SD-100C-5.
A digitális tárolóoszcilloszkóp a GWINSTEK GDS{0}}B-jét választja, a sávszélesség 70 MHz, a mintavételezési sebesség 1GSa/s, az egyes csatornák tárolási mélysége pedig 10M.
Az elektronikus terhelés PEL{{0}} a GWINSTEK-től, a feszültségtartomány 1,5–150 V, az áramtartomány 0–35 A, a teljesítmény pedig 175 W.
E számítás szerint az áramkörben az áram 20A. A 3. ábra a teljesítmény hullámosság teszt csatlakozási blokkvázlata.
Annak érdekében, hogy a tápegység hullámzásának elnyomásának hatása intuitívabb és nyilvánvalóbb legyen, először rövidre zárjuk az SD-100C-5 szűrőáramkörét, és megmérjük a kimeneti feszültség hullámzását. Megállapítható, hogy a tápegység hullámossága nagyjából 85,6 mVpp, az effektív érték pedig 48,2 mVrms.
