Zasilacze arbitralne - testowanie urządzeń zasilanych z akumulatorów

Rys. 1. Zapis danych w pamięci generatora AWG: jednemu punktowi przypisana jest jedna wartość napięcia, punkty mają stały odstęp czasowy

Konstruktorzy i producenci muszą dokładnie sprawdzić, jak będzie pracował system hamulcowy w samochodzie, w którym nastąpiło rozładowanie akumulatora lub w cyklach ładowania i rozruchu silnika, które powodują bardzo duże skoki napięcia zasilania w instalacji samochodowej, w tym we wszystkich układach elektronicznych.

Aby upewnić się, że systemy mikroprocesorowe będą zawsze poprawnie startować i działać, konieczne jest przeprowadzanie odpowiednich testów symulujących zmiany warunków zasilania urządzeń pokładowych, zmiany krótkookresowe np. towarzyszące rozruchowi silnika lub włączania odbiorników energii lub zmiany długookresowe związane z cyklami powolnego rozładowywania (na postoju) i ładowania akumulatorów.

Konieczność sprawdzania działania instalacji zasilających dotyczy także układów ładowania akumulatorów. Niepełne badania mogą mieć kosztowne, a nawet katastrofalne skutki, co najlepiej unaocznia niedawny problem z prawidłową eksploatacją akumulatorów występujący w nowych samolotach Boeinga.

Rys. 2. Zapis danych w pamięci, jednemu punktowi przypisane są trzy parametry: wartość napięcia, wartość prądu (CC) oraz czas trwania danego stanu

Ze względu na złożoność zjawisk występujących w układach zasilania akumulatorowego system testujący musi charakteryzować się dużą uniwersalnością i funkcjonalnością symulacji warunków zasilania, dotyczy to zwłaszcza możliwości generowania w zasadzie dowolnych kształtów przebiegów napięcia i prądu w czasie, w tym możliwość nakładania sygnałów zmiennoprądowych na napięcie stałe AC. Ta ostatnia sytuacja występuje np. w alternatorowych układach zasilania i ładowania akumulatorów.

Nadmierne przenikanie sygnałów AC z akumulatorowych instalacji zasilania DC do układów mikroprocesorowych, wzmacniaczy audio lub do zainstalowanych na pojazdach radiostacji, będzie się objawiać niestabilnością pracy, niepożądanymi dźwiękami i zakłóceniami słyszalnymi z głośników, a w przypadku radiostacji będzie dawać niepożądane prążki modulacyjne zakłócające łączność w sąsiednich kanałach i ograniczające czułość odbiorników.

Zasilacz arbitralny

Rys. 3. Zasilacze programowalne 8951 i 8815 firmy Toellner

Głównym elementem systemu testującego pracę odbiorników energii w układach zasilania akumulatorowego jest zasilacz. Musi się on charakteryzować możliwościami generowania napięć zasilania z uwzględnieniem występujących w warunkach rzeczywistych niedoskonałości, zakłóceń i stanów przejściowych. W odniesieniu do sygnałów małej mocy taką funkcję pełnią generatory arbitralne AWG, natomiast w odniesieniu do sygnałów dużej mocy są to zasilacze o podobnej funkcjonalności, tyle że dużej mocy.

Zasilacze arbitralne stanowią rozwinięcie zasilaczy programowalnych, w odróżnieniu od których pozwalają na programowanie znacznie krótszych i szybszych zmian napięcia i prądu wyjściowego. Tak samo jak w przypadku generatorów AWG, użytkownik może programować wielkość pojedynczych próbek, które są podawane na przetwornik A/C sterujący sygnałem wyjściowym zasilacza, co pozwala na programowanie złożonych sygnałów napięciowych i prądowych o dowolnym kształcie. W odróżnieniu jednak od generatorów AWG zasilacze arbitralne w inny sposób zapisują sygnały w pamięci, co zostało zilustrowane na rysunkach 1 i 2.

Programowanie

Rys. 4. Programowanie z panelu czołowego

Przykładem udanej realizacji zasilaczy arbitralnych jest rodzina zasilaczy niemieckiej firmy Toellner. Mają one nieulotną pamięć pozwalającą na zapisanie cyfrowych próbek, które po przetworzeniu przez przetwornik A/C będą determinowały analogowy sygnał wyjściowy. Użytkownik ma dostęp do wszystkich funkcji programowania poprzez panel czołowy. Programowane są poszczególne kroki, bloki sygnałów, liczba powtórzeń, pętle lub praca ciągła.

Kreacja sygnałów w trybie ręcznym ma sens tylko w przypadku prostych sygnałów lub wykorzystania zapisanych w pamięci urządzenia gotowych bibliotek złożonych sygnałów. Symulacja złożonych przebiegów wymaga użycia specjalizowanego oprogramowania jak Arbnet.

Oprogramowanie Arbnet bazuje na GUI i pozwala myszką tworzyć złożone przebiegi, które symulują zmiany napięcia w instalacji samochodowej w czasie uruchamiania silnika. Sterowanie graficzne jest niewystarczające do wielu zastosowań, stąd po wstępnym określeniu kształtu przebiegu użytkownik ma możliwość przejścia w tryb arkusza kalkulacyjnego i doprecyzowania zadanych poziomów napięcia, prądu i zmian w czasie.

Dodawanie zaburzeń

Rys. 5. Interfejs graficzny programu Arbnet

Po włączeniu rozrusznika napięcie instalacji spada, prąd (z akumulatora) gwałtownie się zwiększa, po czym następuje łagodniejszy wzrost napięcia w instalacji w miarę stopniowego ładowania akumulatora z alternatora. Akumulator mimo dużej pojemności elektrycznej ma skończoną oporność wewnętrzną, a alternator wytwarza zmienne napięcie ładowania, widać więc, że przebiegi przedstawione na rysunku 2 są nieco uproszczone, brakuje na nich zaburzeń pochodzących od procesów przełączania dużych obciążeń (rozrusznik, żarówki...), a także pochodzących od pracy alternatora.

Kolejne narzędzie programu Arbnet pozwala na dodanie sygnałów o charakterze okresowym z gotowej palety standardowych sygnałów: sinus, trójkąt, prostokąt, typowe kształty przebiegów ładowania lub rozładowania. Po kliknięciu prawym przyciskiem myszy na zaprogramowany uprzednio liniowy fragment przebiegu napięcia i prądu pojawia się dodatkowe menu jak na rysunku 3.

Rys. 6. Dodawanie cyfrowo tworzonych sygnałów zakłócających do zaprogramowanego przebiegu zasilania

Obliczenie wartości próbek dla zastosowanych, precyzyjnych 24-bitowych przetworników A/C to zadanie dla oprogramowania. Użytkownik zachowuje jednak pełny dostęp do poszczególnych próbek, które po opracowaniu przez program mogą być dowolnie edytowane - jak w przypadku generatorów AWG małej mocy. Dzięki tym funkcjom można odtwarzać w laboratorium rzeczywiste warunki zasilania urządzeń pokładowych z uwzględnieniem szybkich zakłóceń impulsowych, regularnych zakłóceń sinusoidalnych oraz innych zjawisk związanych z przełączaniem odbiorników energii i pracą źródeł zasilania.

Różne gałęzie przemysłu i nauki wymagają testowania odporności urządzeń elektronicznych na różne warunki zasilania, są to przede wszystkim: przemysł motoryzacyjny, obronny, lotniczy i kosmiczny, kolej, medycyna i telekomunikacja, a także centra badawczo-rozwojowe i serwisowe.

Biblioteki sygnałów

Rys. 7. Zasilacz TOE 8810, działanie modulacji

Jednostki normalizacyjne publikują odpowiednie normy techniczne, określające warunki badania urządzeń zasilanych akumulatorowo. Samodzielne tworzenie sygnałów testowych, zgodnie z wymaganiami norm technicznych dla różnych gałęzi przemysłu, jest możliwe, ale firma Toellner opracowała bogate biblioteki gotowych sygnałów, które można załadować do odpowiedniego zasilacza m.in.: ISO 7632-2, ISO16 750-2, LV 124, 1.3, LV 148 i podobne.

Uzupełnieniem możliwości symulacji warunków zasilania jest możliwość pracy jako obciążenie elektroniczne, jeżeli napięcie zaprogramowane na wyjściu zasilacza będzie mniejsze niż napięcie podawane od strony obciążenia, wtedy zasilacz zacznie pracować jako obciążenie elektroniczne.

Oprócz "programowego" dodawania sygnałów i sekwencji zakłócających do napięcia wyjściowego, w niektórych modelach zasilaczy użytkownik ma do dyspozycji dodatkowe wejście modulujące sygnał wyjściowy zewnętrznym sygnałem DC lub sygnałami zmiennymi, o częstotliwości do 100/400 kHz (pasmo -3dB).

Krzysztof Kuc
HIK-Consulting
www.hik-consulting.pl