Ćwiczenie P4. Dedykowane funkcje oscyloskopów

Pomiary i modelowanie w elektronice mocy
Ćwiczenie P4. Dedykowane funkcje oscyloskopów
opracowanie: Łukasz Starzak
Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych Politechniki Łódzkiej, 2013
Pomiary
Konfiguracja wstępna
1. Włączyć oscyloskop.
■ Jeżeli wykorzystywana jest mysz bezprzewodowa, ma ona włącznik pod spodem.
■ Jeżeli mysz przejdzie w stan uśpienia, wybudza się ją klikając lewym klawiszem.
2. Połączyć układ bazowy przetwornicy podwyższającej napięcie.
■ Wszystkie pokrętła zasilacza skręcić do zera.
■ Obwód sterowania (UGG) z jednej sekcji nastawnej zasilacza pracującego w trybie niezależnej
pracy sekcji (Independent).
■ Wejście mocy (Ui) z drugiej sekcji nastawnej.
■ Krótkimi przewodami wykonać połączenia oznaczone na schemacie liniami przerywanymi.
■ Do wyjścia przyłączyć opornik regulowany RL 170 Ω, 1,1 A.
■ Ślizgacz opornika ustawić mniej więcej w połowie.
■ Równolegle do opornika, w gniazdach poprzecznych jego wtyków, zamocować niebieską
listę zaciskową.
■ W listwie zaciskowej zamontować kondensator C zwracając uwagę na jego polaryzację
zgodnie z działaniem układu i oznaczeniem na obudowie kondensatora.
3. Wyłączony wzmacniacz sondy prądowej TCPA300 połączyć z wejściem Ch2 oscyloskopu TDS5034B
za pomocą kabla interfejsu TekProbe (nie na siłę – końcówki włącza się delikatnie w odpowiednim
położeniu, a następnie blokuje się je pokręcając ruchomym kołnierzem w prawo).
4. Włączyć wzmacniacz sondy prądowej. Sprawdzić, że wejście kanału 2 przestawiło się w tryb
rezystancji wejściowej 50 Ω, zaś wskazanie kanału 2 na ekranie przestawiło się z woltów na ampery.
5. Uruchomić obwód sterowania.
■ Sondę napięciową z kanału 1 przyłączyć na uGS tranzystora T.
■ Wyzwalanie oscyloskopu z kanału 1, zboczem narastającym, ze sprzężeniem ze składową
stałą (DC).
■ Nastawić UGG = 10 V upewniając się, że pobór prądu nie przekracza kilkudziesięciu mA.
■ Wcisnąć pokrętło Level tak by ustawić poziom wyzwalania w połowie amplitudy przebiegu.
■ Podstawę czasu dostosować tak, by były widoczne min. 3 okresy przebiegu.
■ Pokrętłem PWM na panelu układu bazowego nastawić współczynnik wypełnienia impulsów
sterujących ok. 0,5.
6. Uruchomić obwód mocy.
■ Nastawić Ui = 20 V.
■ Opornik RL ustawić tak, by uzyskać prąd wejściowy ok. 1 A.
Pomiary przebiegów
7. Napięcie i prąd tranzystora.
■ Sondę napięciową przełączyć na uDS tranzystora.
PMEM lato 2012/13
22
■
■
■
■
■
Dostosować wzmocnienie i położenie przebiegu uDS.
Sondę prądową skonfigurować zgodnie z osobną instrukcją.
Zapiąć sondę prądową na prądzie drenu iD tranzystora.
Dostosować wzmocnienie i położenie przebiegu iD.
Nadać opisy obserwowanym przebiegom: Vertical > Vertical Setup > Label (wpisując z
klawiatury należy zatwierdzić klawiszem Enter).
■ Również w Vertical Setup upewnić się, że wszystkie kanały mają ustawione sprzężenie DC i
wyłączone odwracanie (Invert Off).
■ Horiz/Acq > Acquisition Mode > Hi Res.
8. Parametry przebiegów impulsowych.
■ Measurement > Measurement Setup.
■ W pierwszym polu ustawić pomiar częstotliwości (Freq) napięcia uDS.
■ W drugim polu ustawić pomiar częstotliwości (+Duty Cycle) prądu iD.
■ Ewentualne inne pomiary skasować.
■ Korzystając z wyświetlanego pomiaru, pokrętłem PWM na panelu układu ustawić
współczynnik wypełnienia prądu 50%.
9. Zapisać widok ekranu.
■ File > Save As > Screen Capture
■ Kliknąć Options, sprawdzić że wybrane są: Full Screen, Hide Menu/Toolbar, Color, Ink Saver
Mode, PNG. Zatwierdzić.
■ Można zaznaczyć Set Front Panel Print Button To Save – wówczas wciśnięcie przycisku
Print powodować będzie zapis przebiegu.
■ Zapisać w katalogu C:\TekScope\Screen Captures.
■ Aby sprawdzić, czy plik został utworzony: File > Minimize lub klawisz Menu Start;
uruchomić My Computer, przejść do powyższego katalogu.
■ Nie należy korzystać ze zrzutu ekranu (Print Screen), gdyż przebiegi wyświetlane są na
osobnej warstwie ekranu, która nie zapisze się w ten sposób.
Przełączanie tranzystora
10. Uruchomić aplikację Power Measurements wer. 3.
■ File > Run Application > Power Measurements 3.
■ Uruchamianie aplikacji trwa dłuższą chwilę.
■ Wyświetlone zostanie okno zatytułowane TDSPWR3.
■ Aby przywrócić pełny ekran oscyloskopu należy wcisnąć ikonę z falką w prawym górnym
rogu aplikacji.
■ Aby przywrócić podział ekranu na oscyloskop i aplikację, należy wcisnąć przycisk App na
prawo od podziałki.
■ Aplikacja może być w jednym z trzech trybów: wyboru funkcji; konfiguracji parametrów
funkcji; wyświetlania wyników.
■ Aby wrócić do wyboru funkcji: Measurement > Select.
■ Aby wrócić do konfiguracji funkcji: Measurement > Configure.
■ Po wykonaniu pomiaru obraz na ekranie zostanie zamrożony. Aby go odmrozić: przycisk
Run Stop.
11. Pomiar mocy strat.
■ Upewnić się, że na ekranie widać co najmniej 3 okresy (ale nie znacznie więcej), a
wzmocnienia obu kanałów są optymalne.
PMEM lato 2012/13
23
■
■
■
■
■
■
Ze zbioru Power Device wybrać funkcję Power Dissipation i podfunkcję Switching Loss.
Source: Live (pomiar z bieżącego przebiegu).
Zgodnie z rzeczywistością wybrać kanały Voltage i Current.
Dla przebiegu mocy chwilowej (Power Waveform) wybrać kanał Math1.
I-Probe Settings: zgodnie z używaną sondą wybrać TCP Series.
Zakładka Type: Freq & Duty – Fixed; Cursor Gating – Off (automatyczne dostosowanie
czasu obserwacji); Device: Auto.
■ Zakładka Edge Finder: wybrać Vsw (detekcja taktów po napięciu na kluczu – druga opcja to
po napięciu bramkowym); pozostawić próg 50% i histerezę na ewentualne oscylacje 10%.
■ Zakładka Ton&Toff Reflevel: zgodnie z rzeczywistością wybrać Device – N-Channel, wpisać
oba progi detekcji stanów dynamicznych 5%.
■ Zakładka Options: Signal Condition i Filter Current zaznaczyć.
■ Kliknąć Run.
■ Zapisać obraz ekranu.
12. Przebieg mocy chwilowej.
■ Ukryć aplikację (patrz pkt 10).
■ Math > Math Setup.
■ Sprawdzić definicję przebiegu Math1.
■ Nadać opis przebiegowi Math1.
■ Dodać przebieg energii wydzielanej w tranzystorze definiując Math2 (Editor) jako całkę
(Integral) z Math1.
■ Wyświetlić przebieg Math 2 i nadać mu opis.
■ Math > Position/Scale, dostosować ustawienia dla Math2.
13. Pomiar energii wydzielanej w stanach dynamicznych.
■ Powiększyć stan wyłączania.
■ Uaktywnić kursory poziome (przycisk Cursors, wybrać H Bars).
■ Przesuwając kursory myszą zmierzyć energię wydzielaną w stanie załączania.
■ Zapisać obraz ekranu (wraz z kursorami).
■ Wyłączyć kursory.
■ Wyłączyć wyświetlanie przebiegów przetworzonych: Math > Display On/Off.
14. Trajektoria punktu pracy.
■ Przywrócić aplikację (patrz pkt 10).
■ Wybrać funkcję SOA, a dalej tryb SOA DPO (tryb w którym poprzednie wyniki nie znikają z
ekranu – są one kumulowane, a kolor oznacza intensywność występowania punktów w
danej lokalizacji ekranu).
■ Kliknąć Run.
■ Wyświetlona zostanie trajektoria punktu pracy na płaszczyźnie I D × UDS.
■ Ukryć aplikację.
■ W razie potrzeby dostosować wzmocnienia kanałów 1 i 2 – skalę osi X i Y.
■ Zapisać obraz ekranu.
■ Przywrócić aplikację.
Charakterystyki dławika
15. Napięcie i prąd dławika.
■ Sondę prądową przełączyć na prąd dławika iL zgodnie z jego zwrotem.
PMEM lato 2012/13
24
■ Różnicową sondę napięciową przyłączyć do kanału 3 oscyloskopu.
■ Przełączyć tłumienie na 50x przyciskiem na korpusie wzmacniacza sondy różnicowej.
■ Końcówki sondy różnicowej przyłączyć na napięcie na dławiku uL zgodnie z jego zwrotem, a
więc przeciwnie do prądu.
■ Odpowiednio zmienić opisy kanałów 2 i 3.
■ Ukryć kanał 1.
■ Dostosować wzmocnienie i położenie kanału 3.
■ Nie zmieniać wzmocnienia ani położenia kanału 2, gdyż ma on być widoczny od poziomu
zera do wartości szczytowej.
■ Podstawa czasu do obserwacji co najmniej 5 okresów przełączania.
16. Indukcyjność.
■ Wybrać funkcję B-H Analysis i podfunkcję Inductance.
■ Edge Source: Ch1.
■ Voltage i Current: zgodnie z rzeczywistością.
■ Kliknąć Run.
■ W przypadku funkcji dla dławika wyświetlane są wyniki w osobnych oknach z ikoną Java.
W tym przypadku do zapisu należy wbrew wcześniejszemu zaleceniu wykonać zrzut ekranu
(Shift+PrintScreen) i zapisać go poprzez program Paint (Menu Start, Accessories), nadal do
katalogu wskazanego na początku. Niektóre z tych okien Java posiadają jednak przycisk do
zapisywania, z którego również można skorzystać.
■ Zapisać obraz ekranu z wynikiem.
17. Trajektoria punktu pracy rdzenia.
■ Podfunkcja Magnetic Property – wykreśla trajektorię punktu pracy na płaszczyźnie B×H na
podstawie wprowadzonych parametrów dławika.
■ W zakładce Type wybrać pojedyncze uzwojenie: Windings – Single.
■ W zakładce Phy Chars wprowadzić zgodnie z rzeczywistością: liczba zwojów – 45.
■ Pozostałe parametry: Xsection Area (efektywne pole przekroju) i Magnetic Length
(efektywna długość obwodu magnetycznego) – zgodnie z dokumentacją wykorzystanego
rdzenia TN26/11-3C20-A113 (TN26/15/11):
■ Uwaga: symbol mm2 w rozumieniu wykorzystywanego oscyloskopu oznacza m(m2) nie
(mm)2, tj. 10−3 m2 nie (10−3 m)2. Natomiast w powyższej tabeli symbole mają znaczenie
ogólnie przyjęte, co oznacza, że wpisując wartości do oscyloskopu, należy je zmodyfikować.
18. Straty w rdzeniu.
■ Podfunkcja Magnetic Loss – wyznacza energię strat w rdzeniu.
■ Zapisać obraz ekranu z wynikiem.
19. Pomiar przebiegów.
■ Ukryć aplikację.
■ Podstawę czasu zmniejszyć tak, by obserwować 1 okres przełączania.
■ Uaktywnić kursory (przycisk Cursors).
PMEM lato 2012/13
25
■ Zmierzyć zmianę prądu dławika ∆iL w dowolnym z 2 taktów pracy oraz czas trwania tego
taktu ∆t.
■ Zapisać obraz ekranu (wraz z kursorami).
■ Zmierzyć poziom napięcia na dławiku UL w tym samym takcie pracy (wartość średnia jeżeli
wykazuje zmienność).
■ Wyłączyć kursory.
20. Przywrócić podstawę czasu dla 5 okresów.
21. Przywrócić aplikację.
Tętnienie napięcia na kondensatorze
22. Odłączyć sondę prądową i różnicową od układu. Ukryć przebiegi z tych kanałów oraz z kanału 1.
23. Sondę napięciową z kanału 4 przyłączyć (również masę) na nóżki kondensatora wyjściowego.
Uważać na nóżkę, do której przyłączona jest masa tak, aby nie zewrzeć układu przez oscyloskop –
układ ma już przyłączoną masę do pewnego punktu przez sondę z kanału 1!
24. Wyznaczenie amplitudy tętnienia.
■ Z grupy Output Analysis wybrać funkcję Ripple Switching.
■ Voltage: zgodnie z rzeczywistością – napięcie na kondensatorze.
■ Coupling: AC Coupling.
■ Bandwidth: 20 MHz.
■ Switching Frequency: wpisać z pomiaru wyświetlanego dla kanału 1.
■ Acquisition Mode: Peak Detect (wykrywanie skrajnych wartości tak, aby uzyskać informację
o najgorszej amplitudzie tętnienia).
■ Kliknąć Run.
■ Zapisać obraz ekranu z wynikiem.
25. Powtórzyć pomiar dla masy sondy napięciowej z kanału 4 przyłączonej (wraz z masą sondy z kanału
1) do punktu układu oznaczonego symbolem masy.
26. Powtórzyć pomiar dla sondy napięciowej z kanału 4 przytkniętej do końcówek kondensatora bez
przewodu masy. Uważać, aby nie spowodować zwarcia przez metalizację masy wokół sondy!
Zakończenie
27.
28.
29.
30.
31.
32.
W przypadku wolnego czasu można przetestować inne funkcje oscyloskopu.
Zamknąć aplikację, zgodzić się na przywrócenie wcześniejszych ustawień.
Sprowadzić napięcie zasilania obwodu mocy do zera.
Sprowadzić napięcie zasilania obwodu sterowania do zera.
Wyłączyć wzmacniacz sondy prądowej.
Przegrać (przenieść – skasować z oscyloskopu) wyniki na konto zespołu (Menu Start, Run,
wpisać \\shrek, konto zespołu będzie widoczne pod katalogiem nazwanym nazwą użytkownika). Nie
używać nośników USB ze względu na ryzyko infekcji systemu wirusem! Wyniki można następnie
przegrać na nośnik USB na dowolnym komputerze.
33. Wyłączyć oscyloskop przyciskiem na panelu przednim lub z menu File > Shutdown (nie Exit)
34. Rozłączyć układ.
35. Zmierzyć indukcyjność dławika miernikiem RLC po rozłączeniu połączeń oznaczonych na
schemacie linią przerywaną.
Do opracowania wyników potrzebna będzie karta katalogowa rdzenia dławika. Można ją obecnie
skopiować z katalogu Y:\ELEMS\dane_elementów\katalogi magnetyków (TN261511g, 3C20).
PMEM lato 2012/13
26
Rys. 1. Schemat układu bazowego przetwornicy podwyższającej napięcie
Rys. 2. Fragment dokumentacji rdzenia TN26/15/11.
Opracowanie wyników
1. Przebiegi i ich parametry.
■ Zamieścić przebiegi ze wskazaniami pomiarów częstotliwości i współczynnika wypełnienia
(pkt 9).
2. Straty mocy.
a) Zamieścić:
■ wyniki funkcji Switching Loss (pkt 11);
■ przebiegi prądu, napięcia, mocy i energii podczas załączania wraz z kursorami pokazującymi
wydzieloną energię (pkt 13);
■ wyznaczoną wartość tej energii.
b) Porównać wyniki uzyskane dwoma metodami.
3. Obieg punktu pracy.
a) Zamieścić wynik funkcji SOA (pkt 14).
b) Dokonać krótkiej analizy wykresu, odnosząc się m.in. do następujących kwestii:
■ O jakim charakterze obciążenia świadczy wykres? (patrz np. UEP ćwiczenie A13)
■ W jaki sposób tryb DPO pozwolił zobrazować pracę tranzystora typową dla klucza
półprzewodnikowego? (patrz np. PiUM instrukcja 0, zagadnienie trybu pracy)
■ Co można powiedzieć o lokalizacji punktu pracy w stanie przewodzenia? Z czego to wynika
w badanym układzie (odnieść się do jego zasady działania i zarejestrowanych przebiegów)?
4. Indukcyjność dławika.
a) Zamieścić:
■ wynik funkcji Inductance (pkt 16);
■ wynik pomiaru indukcyjności miernikiem (pkt 34);
■ oscylogram przebiegów prądu i napięcia dławika (pkt 19);
■ wyznaczone kursorami wartości.
b) Na podstawie wartości ∆iL, ∆t, UL obliczyć indukcyjność dławika.
PMEM lato 2012/13
27
c) Obliczyć indukcyjność dławika na podstawie indukcyjności charakterystycznej rdzenia i znanej
liczby zwojów dławika (pkt 17).
■ Indukcyjność charakterystyczną odczytać z karty katalogowej rdzenia.
d) Porównać wartości indukcyjności uzyskane 4 metodami.
5. Właściwości magnetyczne rdzenia.
a) Zamieścić wynik funkcji Magnetic Property (pkt 17).
b) Przeanalizować trajektorię punktu pracy:
■ czy świadczy ona o wąskiej czy szerokiej pętli histerezy?
■ czy świadczy ona o pracy w zakresie liniowym czy nasycenia charakterystyki
magnesowania?
c) Przeanalizować wartości indukcji magnetycznej B i natężenia pola magnetycznego H:
■ skorzystać z karty katalogowej rdzenia i materiału, z którego jest wykonany;
■ czy natężenie pola spełnia prawo Ampère’a? (patrz np. wykład z PiUSM) – wykorzystać
wartości szczytową i doliny prądu iL widoczne na oscylogramie wykorzystanym w pkt. 4
powyżej;
■ czy również widoczne w oknie wyników wartości ∆i i ∆H są zgodne z otrzymanymi z
powyższego oscylogramu prądu?
■ czy indukcja nasycenia (zgodnie z kartą katalogową) faktycznie nie zostaje osiągnięta?
■ czy rdzeń wykorzystywany jest w dużym stopniu, tzn. szczytowa indukcja zbliża się do
indukcji nasycenia (czy też jest dużo mniejsza)?
d) Wypadkowa przenikalność magnetyczna (względna) rdzenia:
■ porównać przenikalność pokazaną w oknie wyników z podaną w karcie katalogowej
rdzenia;
■ porównać powyższą przenikalność z przenikalnością materiału magnetycznego podaną w
karcie katalogowej tego materiału;
■ jaki wpływ na przenikalność magnetyczną miało wykonanie w toroidzie szczeliny?
■ jaki miało to z kolei wpływ na możliwe do osiągnięcia (bez wejścia w nasycenie) natężenie
pola magnetycznego? – patrz poprzednie wyniki, które należy porównać z wartością
natężenia pola widoczną w karcie katalogowej materiału magnetycznego.
6. Straty mocy w dławiku.
■ Zamieścić wynik funkcji Magnetic Loss (pkt 18).
■ Czy wartość ta jest prawdopodobna w świetle danych katalogowych?
7. Tętnienie napięcia na kondensatorze.
■ Zamieścić wyniki funkcji Ripple Switching (pkt 25) dla zbadanych przypadków podłączenia
sondy napięciowej.
■ Porównać otrzymane przebiegi i wartości amplitudy tętnienia. Czy na wynik pomiaru miały
wpływ: indukcyjność ścieżki masy w obwodzie mocy (punkt podłączenia masy sondy) oraz
indukcyjność pętli przewodu masy sondy napięciowej?
PMEM lato 2012/13
28