Sicher ans Netz

Das Digital-Phosphor-Oszilloskop TDS3000 erlaubt Spannungs-, Strom-, Leistungs- und Oberwellenmessungen und eignet sich als vielseitiges Werkzeug zur Störungsbeseitigung beim Design von Netzteilen und der Fehlersuche am bereits realisierten Netzteil.

Die Charakterisierung der Momentanverlustleistung in Schalttransistoren ist Teil nahezu aller Netzteil-Designprojekte. Sie ist ein Schlüssel zur Auswahl von Komponenten (wie z. B. des Leistungs-MOSFET in Bild 2), die sowohl kosteneffektiv als auch unter Höchstbeanspruchung im schlimmsten Einsatzfall zuverlässig sind. Das Verfahren dazu umfasst die potentialfreie Spannungsmessung und eine simultane Messung der Stromstärke. Die TekProbe-Schnittstelle des TDS3000 ist mit dem Hochspannungs-Differentialtastkopf P5205 und der Stromzange TCP202 (und noch vielen anderen) kompatibel. Diese Paarung sorgt für sehr exakte Ergebnisse.
Der Hochspannungs-Differentialtastkopf ist notwendig, weil die gesuchte Spannung (Vds im MOSFET-Schaltkreis) über Drain- und Source-Anschlüsse des Transistors anliegt und diese beiden nicht geerdet sind. Das TDS3000 ist ? wie die meisten anderen Oszilloskope auch ? nicht für die direkte Messung von potentialfreien Signalen ausgerüstet. Für sichere potentialfreie Messungen mit dem TDS3000 ist ein Differentialtastkopf erforderlich. Der Tastkopf P5205 nimmt das nicht geerdete Signal auf und liefert ein unsymmetrisches, geerdetes Signal an den Oszilloskopeingang.
Vor dem Durchführen von Leistungsmessungen kann es notwendig sein, die Verzögerung zwischen dem Spannungstastkopf und der Stromzange anhand eines als Laufzeitausgleich (Deskew) bezeichneten Verfahrens zu kompensieren. Die Modelle P5205 und TCP202 werden auf ±2 ns abgestimmt und minimieren Verzögerungsfehler. Andere Tastkopfkombinationen erfordern jedoch einen Laufzeitausgleich. Dieser Schritt ist entscheidend, da eine kleine Verzögerung bei der Zeitmessung der Spannungs- und Strom-Kurven einen groben Fehler bei der Momentanleistungsmessung verursachen kann. Das TDS3000 verfügt über einen Laufzeitspeicher, der die Laufzeitunterschiede zwischen den Tastköpfen speichert. Wenn zwei Tastköpfe kompensiert werden, müssen beide mit dem gleichen Impuls angesteuert werden; der Zeitunterschied wird dann mit Cursorn gemessen. Diese Informationen werden dann in den Laufzeitspeicher (Zugriff über das Vertikal-Menü) eingegeben. Dieses Verfahren speichert den Laufzeitwert für die beiden verwendeten Tastköpfe.
Nachdem der Laufzeitausgleich für die Tastköpfe durchgeführt wurde, können diese, wie in Bild 2 dargestellt, angeschlossen werden (MOSFET-Leistungsschaltung, wie sie in geschalteten Netzteilen zu finden ist).
Die Autoset-Funktion des TDS3000 kann zum Einstellen der anfänglichen Signaldarstellung verwendet werden. Autoset stellt den Bereich und die Skalierung automatisch ein, damit die Signale in den Darstellbereich gebracht werden. Das Farb-LCD des TDS3000 zeigt die Spannung, Stromstärke und Leistungssignale in verschiedenen Farben an und eliminiert dadurch Verwechslungsgefahr. Dank der TekProbe-Schnittstelle ist die numerische Messung und Skalierung aller drei Signale exakt ? es ist keine Interpretierung erforderlich.
Das Leistungssignal ist eine einfache punktweise Multiplikation der Spannungs- und Stromstärkesignale (Kanal 1 x Kanal 2). Die MATH-Taste für Signale des TDS3000 ermöglicht den Zugriff auf Rechenoperationen, die die beiden Signale als Variablen benutzen. Bild 3 zeigt die Ergebnisse. Die Spannung, Stromstärke und Leistungssignale werden in den richtigen Einheiten angezeigt. Die maximale Momentanspannung, Stromstärke und Leistung kann mit der Messfunktion “Max” angezeigt werden, die über die MEASURE-Taste aufgerufen wird. Das TDS3000 hat eine Signalerfassungsrate, die fünfzigmal höher als die eines herkömmlichen DSO ist. Das bietet bei der Überprüfung von Modulationseffekten zwei Vorteile: Erstens ist das TDS3000 wesentlich länger aktiv und verbringt weniger Zeit mit der Verarbeitung des Signals zur Darstellung und hat daher mehr Gelegenheit, die Modulation zu erfassen. Zweitens vereinfacht die Digital-Phosphor-Darstellung die Wiedergabe des modulierten Signals in Echtzeit. Die Darstellung des TDS3000 verstärkt die Bereiche, in denen die Signalspur am häufigsten überzeichnet wird ? ähnlich wie bei einem Analog-Oszilloskop. Die Modulation ist schwächer als das ständig wiederholte Hauptsignal. Die Betrachtung der Modulationseffekte mit dem TDS3000 ist einfach: Bild 4 zeigt das modulierte Signal, das das Ausgangssignal einer Stromregelschleife des Netzteils regelt. Die Modulation ist in einem System mit geschlossenem Regelkreis. Zuviel Modulation kann jedoch eine instabile Schleife zur Folge haben. Es ist zu beachten, dass das Signal in Bereichen mit weniger häufiger Modulation schwächer ausgeprägt ist.
Die Erfassung von Transienten mit dem TDS3000 ist auch eine einfach zu lösende Aufgabe. Die Flanken-Trigger-Funktion gibt die Flexibilität, die zum Einrichten eines Flanken-Pegels, einer Kopplung und einer Trigger-Verzögerung benötigt wird. Wenn das geprüfte Netzteil bereits in ein System integriert ist, kann es wünschenswert sein, an einer anderen Stelle im System auf das Problemsignal zu triggern und einen Prüfpunkt im Netzteil zu überwachen, damit ein möglicherweise gleichzeitig auftretender Transient festgestellt werden kann.Der Gleichstromausgang des Netzteils muss natürlich auch sauber und frei von Transienten sein. Die ROLL-Betriebsart des TDS3000 ist in Kombination mit der Funktion “Spitzenwerterfassung” das beste Werkzeug zum Betrachten von Abweichungen an langsamen Signalen oder Gleichstrompegeln. Die ROLL-Betriebsart blättert die Spur langsam von rechts nach links, ähnlich wie ein Streifenschreiber. Sie erzeugt bei sehr langsamen Ablenkgeschwindigkeiten eine klare, helle Spur. Mit der Spitzenwerterfassung kann das Oszilloskop auch bei langsamen Ablenkgeschwindigkeiten Glitches mit Breiten von nur 1 ns erfassen. Die Kombination dieser beiden Funktionen erzeugt eine stetige, lesbare Spur, die Transienten sofort kenntlich macht.
Das Messen von Leitungsoberwellen ist bei modernen Designs eine entscheidende Aufgabe. Geschaltete Netzteile erzeugen Oberwellen von ungerader Ordnung, die in das Stromnetz zurückgelangen können. Die resultierenden Auswirkungen sind kumulativ; wenn mehr und mehr Netzteile an das Stromnetz angeschlossen werden (wenn z. B. in einem Büro mehr Desktop-Computer angeschlossen werden), kann das Gesamtausmaß an Oberwellen-Verzerrungen im Stromnetz ansteigen. Da diese Verzerrung zusätzliche Wärme in den Kabeln und Trafos des Stromnetzes verursacht, müssen Oberwellen minimal gehalten werden. Behördliche Vorschriften, wie IEC61000-3-2, dienen zur Überwachung der Leistungsqualität.
Wenn das TDS3000 mit dem optionalen FFT-Anwendungsmodul (TDS3FFT) ausgerüstet ist, ist es ein ausgezeichnetes Werkzeug für die Analyse von Oberwellen. Ein Oszilloskop mit FFT-Fähigkeit ist wesentlich kosteneffektiver als die Anschaffung eines eigenen Oberwellenanalysators und ermöglicht die Bewältigung von weiteren Aufgaben mit einem bereits bekannten Messgerät. Das TDS3000 FFT-Modul verwendet einen schnellen Fourier-Transformationsalgorithmus (FFT) zum Erzeugen einer Spektrumanalysator-ähnlichen Darstellung der Signalfrequenz-Komponenten. Es ist sogar möglich ? und oft auch von Vorteil ? sowohl das Signal selbst als auch dessen Frequenzdomänen-Äquivalent gleichzeitig auf dem Bildschirm darzustellen.
Das FFT-Modul bietet ein FFT-spezifisches Menü, das das Setup und die Messung vereinfacht. Das FFT-Menü ist unter dem MATH-Tasten-Menü zu finden. Die FFT kann an aktiven Signalen oder gespeicherten und abgerufenen Signalen durchgeführt werden. Das Verfahren ist jedoch nicht schwieriger als eine gewöhnliche Signalmessung. Da das Signal in diesem Fall ein periodisches Signal ist (im Gegensatz zu einer Art von Transient), ist es einfacher zu triggern und darzustellen. Vorprüfungen für die Einhaltung von IEC61000-3-2 werden am Stromsignal durchgeführt. Es sollten mindestens fünf Durchgänge angezeigt werden, damit eine gute Frequenzauflösung gewährleistet ist; außerdem muss der vertikale Ablenkkoeffizient so eingestellt werden, dass die gesamte Signalamplitude auf dem Bildschirm Platz findet.
Die vom Benutzer konfigurierten Parameter des TDS3000 umfassen den vertikalen Ablenkkoeffizienten und das FFT-Fensterformat. Die Fenster Rechteck, Hamming, Hanning und Blackman-Harris stehen zur Auswahl. Jedes ist für eine bestimmte Art von Signal geeignet. Für ein periodisch wiederholtes Signal, wie das in diesem Beispiel, eignet sich in der Regel das Hamming-Fenster am besten.

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