FocusonPCB - Vicenza, 15-16 maggio 2024
Torna a Vicenza il 15 e 16 maggio 2024 Focus on PCB, la terza edizione della fiera dedicata all'intera filiera dei circuiti stampati. Nata dalla volontà del Gruppo PCB Assodel…
Gli sviluppatori di sistemi elettronici di potenza devono affrontare la sfida di ottimizzare l'efficienza energetica, garantendo al contempo un funzionamento sempre sicuro e affidabile dei loro progetti. Ciò richiede l’esecuzione di misure accurate e di analisi più sofisticate.
Nei più recenti oscilloscopi da banco è stata integrata una maggiore capacità di elaborazione per potenziare le capacità di analisi dei sistemi di potenza e di controllo dei motori, affinché si possano accelerare i processi di sviluppo tramite misure più automatizzate.
Le misure sui circuiti di potenza richiedono l'utilizzo di più sonde e l’esecuzione di diversi calcoli, per cui le configurazioni di test possono diventare particolarmente complesse. Il software di analisi disponibile per i moderni oscilloscopi può aiutare i progettisti a ottenere misure più rapide e ripetibili.
Il nuovo oscilloscopio Tektronix MSO Serie 4 B è uno di questi strumenti, in cui è stato integrato un processore più potente che accelera l'analisi dei convertitori di potenza, il tutto a un prezzo accessibile per molti progettisti professionisti.
Alcuni oscilloscopi da banco, come il modello MSO Serie 4 B, possono essere equipaggiati con 3 sonde di tensione differenziale, 3 sonde di corrente e un software di analisi per la misura dei segnali d'uscita degli azionamenti per motori industriali.
I pacchetti software per gli oscilloscopi dedicati alla misura e analisi dei circuiti di potenza facilitano le misure sui convertitori AC/DC e DC/DC, dagli stadi di ingresso fino ai dispositivi di commutazione, dall’anello di controllo agli stadi di uscita.
Il software Power Measurement and Analysis esegue automaticamente i calcoli per misurare la perdita di commutazione nei convertitori di potenza. La traccia rossa è la tensione VDS, quella verde è la corrente ID. Il software calcola la traccia arancione che mostra la perdita di potenza durante la commutazione.L'opzione Advanced Power Measurement and Analysis (4-PWR) è un esempio di tale pacchetto. Il software automatizza il processo di configurazione delle principali misure di potenza per la verifica degli ingressi dalle rete in AC, come frequenza, tensione e corrente RMS, fattore di cresta (tensione e corrente), potenza reale, reattiva e apparente, fattore di potenza e fase.
Misure come la perdita di commutazione e la perdita magnetica aiutano i progettisti ad apportare modifiche incrementali per ottenere miglioramenti di frazioni di punto percentuale con i più recenti dispositivi di potenza realizzati con semiconduttori ad ampia banda proibita (wide bandgap).
Il software consente inoltre di misurare facilmente l’area di funzionamento sicuro (SoA, Safe Operating Area) dei dispositivi di commutazione. I diagrammi di Bode possono invece essere utilizzati per valutare la stabilità dell’anello di controllo dell'alimentazione.
Il processore più veloce integrato nel nuovo oscilloscopio MSO Serie 4 B accelera i calcoli alla base di queste misure, per garantire una maggiore velocità di aggiornamento delle forme d’onda e dei risultati.
La transizione dai dispositivi di commutazione in silicio a quelli in carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN) ha messo ancora più sotto pressione i sistemi di misura.
Per questa nuova classe di dispositivi, una valutazione accurata della commutazione richiede una larghezza di banda di misura molto più ampia, in grado di catturare accuratamente transizioni molto più veloci. Fino a poco tempo fa, le misure di commutazione sul ramo superiore dei circuiti a mezzo ponte erano quasi impossibili. Qualsiasi misura relativa al nodo di commutazione soffriva di distorsione a causa degli elevati livelli di tensione di modo comune sovrapposti ai segnali differenziali.
Una classe relativamente nuova di sonde utilizza l'isolamento ottico per ottenere una reiezione di modo comune di 80 dB a 1 GHz e oltre. Gli oscilloscopi MSO Serie 4 B sono compatibili con le sonde isolate otticamente IsoVu e sono quindi in grado di misurare segnali di commutazione con velocità di transizione di 100 V/ns o più veloci.
Il test a doppio impulso è una metodologia comunemente utilizzata per valutare le prestazioni di FET e IGBT in condizioni che approssimano il funzionamento a piena potenza e oltreÈ inoltre disponibile uno speciale software di analisi per effettuare il test a doppio impulso, che aiuta i progettisti a passare alla tecnologia di commutazione wide bandgap.
La potenza di elaborazione dello strumento viene utilizzata per automatizzare le impostazioni di oscilloscopio e sonde, le misure e i calcoli, aiutando i progettisti a misurare i parametri di commutazione e la resistenza di conduzione, la temporizzazione e le caratteristiche di recupero inverso dei diodi.
I progettisti di azionamenti e inverter devono affrontare sfide simili. La maggior parte dei moderni sistemi di azionamento per motori elettrici utilizza la modulazione a larghezza d’impulso (PWM, Pulse Width Modulation) per controllare la frequenza e, quindi, la velocità di rotazione di un motore.
La modulazione PWM rende difficile effettuare misure stabili su questi segnali. Determinare manualmente la giusta combinazione di filtri e trigger per ottenere forme d'onda stabili sull’oscilloscopio è difficile, ma è un prerequisito per ottenere misure coerenti.
Il software di analisi trifase aiuta a ottenere misure stabili sulle uscite dei motori PWM. Il diagramma a fasori mostra rapidamente la fase e l’ampiezza relativa di tutte e tre le tensioni e le correnti.Spesso gli azionamenti e gli inverter hanno uscite trifase che possono complicare i collegamenti e le configurazioni di misura. Il tipo di cablaggio determina il metodo di calcolo utilizzato nell'analisi di potenza, pertanto è importante comprendere e selezionare la configurazione dei collegamenti corretta per ottenere i risultati attesi.
Queste configurazioni si applicano sia agli ingressi che alle uscite degli azionamenti. Un collegamento errato delle sonde a un azionamento del motore e una scarsa integrità delle connessioni sono fonti comuni di errore nell'esecuzione delle misure sugli azionamenti per motori elettrici.
Oltre a misurare l'uscita dell'azionamento, sono importanti anche le misure per valutare le prestazioni degli stadi di ingresso, come le armoniche, la potenza assorbita e il fattore di potenza. Sebbene sia possibile esportare le forme d'onda grezze in un foglio di calcolo o in un altro software di analisi, il processo richiede tempo e attenzione nell'esecuzione dei calcoli.
Per questi motivi, per ottenere una buona visione del sistema di azionamento di un motore con un oscilloscopio è necessaria una configurazione accurata delle connessioni, forme d'onda stabili e algoritmi di misura robusti, tutti elementi facilitati dall’utilizzo di un software applicativo progettato per questo scopo.
Le prestazioni più elevate offerte dagli oscilloscopi Tektronix della Serie 4 B li rendono adatti alle misure trifase sui sistemi di potenza e di controllo dei motori, che in precedenza erano possibili solo con gli oscilloscopi di fascia alta.
L'uscita degli azionamenti e degli inverter è spesso costituita da sistemi a 3 fili, poiché privi di conduttore di neutro, oppure perché il sistema è bilanciato e non c'è corrente di neutro.
La potenza di questi sistemi può essere misurata con precisione utilizzando solo 2 canali di tensione e 2 canali di corrente sugli oscilloscopi, utilizzando il "metodo dei due wattmetri". Sono necessari due canali di tensione e due canali di corrente con i canali di tensione collegati da fase a fase e con una delle fasi che funge da riferimento. Questa operazione può essere eseguita utilizzando un oscilloscopio a 4 canali.
Tuttavia, è più probabile che gli ingressi di un inverter industriale utilizzino un sistema a 4 fili con un conduttore di neutro. In questo caso è necessario utilizzare il “metodo dei tre wattmetri”. La configurazione a tre wattmetri richiede sei canali dell'oscilloscopio: tre per le tensioni e tre per le correnti.
Sebbene diversi oscilloscopi offrano 8 canali di ingresso, gli oscilloscopi Tektronix della famiglia MSO Serie 4 B sono tea i pochi modelli di livello professionale disponibili con 6 ingressi analogici.
Come ogni strumento Tektronix, gli oscilloscopi MSO Serie 4 B sono dotati di interfacce di comando standard e di bus di comunicazione come USB ed Ethernet.
A ciò si aggiungono le interfacce di programmazione API, i tool e il software per ottimizzare i tempi di sviluppo dei test e la velocità di esecuzione delle prove.
Per facilitare il controllo degli strumenti, Tektronix mette a disposizione i driver nativi che traducono i comandi di uno specifico strumento in costrutti familiari in un determinato linguaggio di programmazione.
Gli utenti possono scegliere tra Python, LabVIEW, CVI, MATLAB, C, C#, .NET o qualsiasi altro linguaggio e hanno libero accesso a tutorial, script, esempi e video, oltre a ottenere ulteriori materiali di approfondimento grazie alle guide di riferimento per la programmazione.
Gli strumenti per le misure sui convertitori di potenza, il test a doppio impulso, le sonde accurate e le misure trifase aiutano i progettisti a eseguire prove rapide e ripetibili che velocizzano l’immissione sul mercato dei loro prodotti.
L'aumento della capacità di calcolo degli oscilloscopi professionali, come i modelli MSO Serie 4 B, mette a disposizione di ogni progettista degli strumenti con prestazioni di calcolo in passato appannaggio dei soli oscilloscopi di fascia alta, accelerando ulteriormente il processo di progettazione e migliorando la facilità utilizzo.
*Andrea Vinci è Senior Technical Marketing Manager presso Tektronix. Ha conseguito la Laurea in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Padova. Prima di occuparsi di marketing, ha lavorato come progettista RF, Test Manager, Applications Engineer e poi nel settore commerciale come Business Developer nella regione EMEA. La sua esperienza comprende soluzioni di test per semiconduttori, elettronica di potenza e applicazioni per l’accumulo di energia.
