Rozszerzenie pasma użytecznego programowalnego zasilacza do generowania przebiegów sinusoidalnych

W tego typu zastosowaniach może być wymagane generowanie sygnałów o częstotliwości do 20 kHz i amplitudzie 500 mV na obciążeniu pojemnościowym od 1 mF do 1 F. Ponieważ wymagane jest tu źródło zasilające zdolne oddać do obciążenia dużą moc w dość szerokim zakresie częstotliwości, w przypadku tego typu testów generalnie wymagane jest zastosowanie szerokopasmowego wzmacniacza mocy generującego składową zmienną sprzężonego z zasilaczem generującym składową stałą.

Rys. 1. Schemat podłączenia obciążenia pojemnościowego (C) do wyjścia zasilacza programowalnego za pośrednictwem kabli o indukcyjności (L) i rezystancji (R)

Niewiele programowalnych zasilaczy z opcją modulacji sygnału wyjściowego zapewnia dostatecznie szerokie pasmo, pozwalające dostarczyć do obciążenia sygnał o częstotliwości 20 kHz bez tłumienia, natomiast dostępne obecnie wzmacniacze audio nie zapewniają mocy wyjściowej wystarczającej do wysterowania obciążeń o tak niskiej impedancji. Z uwagi na wymagane parametry, wzmacniacze mocy wykorzystywane w tego typu aplikacjach pomiarowych są drogie i często projektowane tylko do specyficznych aplikacji.

Wykorzystanie uniwersalnego zasilacza programowalnego do przeprowadzenia tego typu testów pozwoliłoby wyeliminować konieczność stosowania specjalizowanych, drogich wzmacniaczy mocy. Stanowisko testowe byłoby prostsze dzięki możliwości generowania zarówno składowej stałej, jak i zmiennej przez to samo urządzenie.

Na szczęście ograniczenia częstotliwościowe zasilaczy nie wykluczają możliwości generowania przez nie przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach powyżej wartości granicznej odpowiadającej pasmu pracy układu sterowania. Zaprogramowanie przebiegu sinusoidalnego o częstotliwości większej od wartości granicznej wiąże się tylko z tym, że składowa AC będzie tłumiona.

Ponieważ jednak współczynnik tłumienia jest w tym wypadku przewidywalny, możliwe jest wprowadzenie korekcji dla częstotliwości większych od częstotliwości granicznej. Wprowadzając współczynniki korekcyjne dla każdej specyfikowanej częstotliwości, można generować przebieg o pożądanej amplitudzie w zakresie częstotliwości znacznie większych od częstotliwości granicznej. Pozwala to rozszerzyć użyteczne pasmo tańszego, nominalnie wolniejszego zasilacza do generowania sygnałów sinusoidalnych.

Pasmo zasilacza

Głównym ograniczeniem co do zakresu częstotliwości sygnałów generowanych przez zasilacz jest pasmo jego układu sterowania. Kończy się ono częstotliwością graniczną, powyżej której zasilacz rozpoczyna tłumienie generowanego przebiegu ze względu na ograniczenia częstotliwościowe wewnętrznej pętli sprzężenia zwrotnego kontrolującej napięcie wyjściowe.

Dla przykładu, jeśli zostanie zaprogramowany sygnał sinusoidalny o relatywnie małej częstotliwości, leżącej znacznie poniżej częstotliwości granicznej układu sterowania, pętla sprzężenia zwrotnego pozwoli na odwzorowanie na wyjściu zasilacza napięcia ze źródła referencyjnego. Jeśli jednak zaprogramowana częstotliwość wyjściowa miałaby być większa od częstotliwości pracy układu sterowania, kompensacja staje się zbyt wolna, w wyniku czego sygnał wyjściowy będzie stłumiony i opóźniony w stosunku do przebiegu na wejściu referencyjnym. Częstotliwość graniczna pętli sprzężenia zwrotnego jest ograniczona konstrukcyjnie na poziomie, który gwarantuje stabilną pracę zasilacza i użytkownik może nie mieć możliwości jej modyfikacji.

Wpływ obciążenia na tłumienie sygnału wyjściowego

Innym źródłem tłumienia jest obciążenie zasilacza i sposób jego podłączenia (rys. 1). Jeśli stosowane są długie przewody o określonej rezystancji i indukcyjności oraz duże obciążenie pojemnościowe, wówczas powstaje w obwodzie wyjściowym dwubiegunowy filtr LC. Nawet gdyby zasilacz był idealnym źródłem napięciowym o nieskończonym paśmie, napięcie sinusoidalne na obciążeniu pojemnościowym będzie znacząco tłumione powyżej częstotliwości odcięcia tego filtru.

Odpowiedź częstotliwościową filtru dla konkretnych częstotliwości można wyznaczyć, znając wartości rezystancji, indukcyjności i pojemności. Jeśli indukcyjność wynosiłaby 1 μH, rezystancja szeregowa 10 mΩ, a pojemność obciążenia 20 mF, napięcie na obciążeniu powyżej częstotliwości granicznej równej około 1,6 kHz będzie się zmniejszało wraz ze współczynnikiem 40 dB/dekadę.

Rezystancja szeregowa nie ma wpływu na f_N, ale wpływa na tłumienie filtru. W podanym przykładzie na częstotliwości 1,6 kHz współczynnik tłumienia wynosi 2, na częstotliwości 5 kHz wzrasta do 20, a na częstotliwości 16 kHz wzrasta do 200. Całkowite tłumienie jest iloczynem tłumienia wprowadzanego przez obciążenie i kable wyjściowe oraz tłumienia wynikającego z ograniczonego pasma układu sterującego zasilacza.

Minimalizując indukcyjność i pojemność, można zwiększyć częstotliwość, powyżej której rozpoczyna się tłumienie sygnału. Indukcyjność kabla wynosi około 20 nH na cal jego długości, tak więc skracając go, zmniejszamy indukcyjność. Skręcenie przewodów dodatniego i ujemnego pozwala zmniejszyć indukcyjność o połowę dla danej długości kabla, a jej dodatkowe ograniczenie można uzyskać stosując specjalne kable o małej indukcyjności.

Zmniejszenie pojemności może okazać się trudne, jeśli testowane urządzenie wymaga określonej wartości. Większa ekwiwalentna rezystancja szeregowa (ESR) kondensatora może zmniejszyć tłumienie, ale równocześnie zmniejsza zdolność kondensatora do eliminacji przepięć i szumów z zasilacza.

Kompensacja tłumienia

Rys. 2. Mierząc współczynnik tłumienia przebiegu sinusoidalnego na częstotliwości F0 i wprowadzając na jego podstawie korekcję przy generowaniu przebiegu, uzyskuje się na obciążeniu napięcie równe wartości zaprogramowanej

Aby zaprogramować przebiegi sinusoidalne o określonych amplitudach i częstotliwościach leżących poza wspomnianą wcześniej częstotliwością graniczną pętli sterowania zasilacza, należy obliczyć współczynniki tłumienia dla każdej z tych częstotliwości. Można je wyznaczyć, dzieląc zaprogramowaną wartość amplitudy przez wartość amplitudy zmierzoną na obciążeniu. Programując sinusoidę na konkretnej częstotliwości, kompensujemy jej amplitudę, mnożąc wymaganą wartość napięcia przez współczynnik tłumienia (rys. 2).

Niektóre z bardziej zaawansowanych zasilaczy programowalnych zawierają digitizer, a ich częstotliwość graniczna pasma pomiarowego leży znacznie powyżej częstotliwości granicznej pętli sterowania. W przypadku takich przyrządów pomiar współczynników tłumienia na różnych częstotliwościach może być przeprowadzony autonomicznie bez konieczności użycia oscyloskopu.

Użytkownik może stworzyć odpowiednią procedurę w środowisku MATLAB czy Microsoft Excel VBA do programowania przebiegu sinusoidalnego na określonej częstotliwości, mierząc rzeczywistą amplitudę sygnału na obciążeniu i wprowadzając podczas programowania współczynnik korekcyjny. Procedurę tę można powtórzyć dla listy częstotliwości w obrębie pasma pomiarowego zasilacza, co usprawni przeprowadzanie pomiarów w systemach wymagających częstej rekonfiguracji. Przykładem zasilaczy z tego typu funkcjonalnością jest seria N7900 Advanced Power System z oferty firmy Agilent Technologies.

Praktyczne ograniczenia przy kompensacji amplitudy

Kompensacja tłumienia amplitudy sygnału sinusoidalnego generowanego przez zasilacz ma oczywiście swoje ograniczenia. Rozważmy scenariusz, gdy programujemy przebieg sinusoidalny o wartości międzyszczytowej 5 V_PP, częstotliwości 20 kHz i poziomie składowej stałej 12 V_DC, korzystając z zasilacza o zakresie napięć wyjściowych do 24 V_DC.

Na pierwszy rzut oka parametry zasilacza odpowiadają wymaganym parametrom przebiegu, którego minimalne napięcie będzie wynosiło 9,5 V, a maksymalne 14,5 V. Jednak poziom tłumienia, który należałoby skompensować, czyni to rozwiązanie niepraktycznym. Przy paśmie zasilacza równym 2 kHz, tłumienie konieczne do skompensowania wynosi 14 na częstotliwości 20 kHz. Jeśli przyjmiemy indukcyjność i rezystancję wyprowadzeń równe odpowiednio 1 μH i 10 mΩ oraz pojemność obciążenia równą 1 mF, tłumienie wynikające z obciążenia będzie równe 5.

Sumaryczne tłumienie stanowiące iloczyn obu składowych jest więc równe 14 · 5 = 70. Teoretycznie, należałoby zaprogramować sinusoidę o napięciu międzyszczytowym 350 V_PP, aby uzyskać wymaganą wartość napięcia na obciążeniu. Jak widać, na początku całej procedury należy sprawdzić, czy konieczne do wygenerowania napięcie mieści się w zakresie pracy zasilacza. Dodatkowo, wewnętrzne elementy zabezpieczenia nadprądowego zasilacza mogą uniemożliwić generowanie przebiegów wysokoczęstotliwościowych o dużych amplitudach.

Nawet jeśli zaprogramowana do kompensacji amplituda napięcia mieści się w dopuszczalnym zakresie napięć wyjściowych zasilacza, wymagany współczynnik slew-rate może uniemożliwić wytworzenie tak dużej fali sinusoidalnej. Przebieg wyjściowy może być w tym przypadku zniekształcony, nawet trójkątny i asymetryczny. Efekt ten może się jeszcze pogorszyć przy obciążeniach niskoimpedancyjnych i generowanie dużych prądów DC. Jeśli do testów niezbędny jest przebieg sinusoidalny o małych zniekształceniach, należy najpierw upewnić się co do kształtu sygnału na wyjściu zasilacza.

Podsumowanie

Rozszerzenie użytecznego pasma zasilacza programowalnego może przynieść znacznie więcej korzyści dla systemu pomiarowego niż mogłoby się początkowo wydawać. Pozwala też wykonać te same testy przy użyciu tańszego sprzętu.

AM Technologies Polska Sp. z o.o.
www.amt.pl