Как измерить шумы и пульсации источника питания с помощью осциллографа?

Как измерить шумы и пульсации источника питания с помощью осциллографа?

шум и пульсация

Оценка уровня пульсаций и шума у источников питания критически важна. Их наличие может привести к сбоям, ошибкам, а также снижению надёжности работы электронных устройств. Кроме того, они могут вызывать искажения сигналов, вызывать нарушения в работе электрооборудования, а также снижать качество передаваемых данных.

Правильное проведение измерений является необходимым для точного анализа электрических сигналов. Корректная настройка осциллографа, выбор соответствующих принадлежностей, а также правильная техника выполняемых операций помогут получить достоверную осциллограмму напряжения анализируемого оборудования.

Время чтения: 10 минут

Оценка параметров источников питания (ИП) производится на этапе их производства, приёмке в эксплуатацию, а также после длительного использования на стадии периодических плановых испытаний. Однако воспринимать выполнение подобных операций, как простые, будет ошибочно. Это связано с необходимостью учёта целого ряда аспектов. Одним из них считается техника проведения замеров, другим - их условия.

Причины зашумлённости

Большинство блоков питания (БП), а также регуляторов мощности, используемых в электронике, представляют собой импульсные устройства. Уже из-за своей конструкции обладают различными уровнями помех на выходе. На их величину влияют:

  • Внутренние факторы:
    • Отсутствие изоляции между входом и выходом;
    • Неисправности компонентов, например, трансформатора или конденсаторов;
    • Работа контроллера ШИМ;
    • Естественный гауссовский шум.
  • Внешние факторы:
    • Помехи, поступающие из электросети;
    • Электромагнитное излучение от близлежащих установок.

Внешние причины

Достаточно редкая причина - это наведение электропомех от внешних источников электромагнитного излучения. Генератором помех чаще всего выступают различные высокочастотные установки, например, радиопередатчики или микроволновые излучатели. Также причиной могут послужить электромагнитные бури из-за вспышек на солнце.

Сетевые электропомехи не считаются большой редкостью. Причины их появления:

  • Коммутационные переключения сетей;
  • Включение, а также отключение промышленных силовых нагрузок;
  • Атмосферные перенапряжения;
  • Аварии и аварийные режимы работы электросети.

В большинстве случаев со сбоями в работе электросети справляются входные фильтры блоков электропитания, а также встроенная защита.

путь прохождения тока
Схема наведения перенапряжения в линию в случае удара молнии (слева) и динамика прохождения тока (справа)

Внутренние причины

Как не хотелось бы нам иметь идеальный ИП, но от искажений на выходе никуда не деться. Если не касаться неисправностей и конструктивных особенностей БП, то причин зашумлённости немного.

Первая - это гауссовский шум, обусловленный тепловым движением электронов в проводника и полупроводниковых элементах. Повлиять на его величину практически невозможно. Благодаря равномерному распределению, а также аддитивности, его можно отфильтровать встроенными функциями осциллографа.

гауссовский шум на изображении
Частота пульсаций белого шума на RIGOL DS1054Z

Вторая причина - коммутационные помехи, порождаемые работой самого БП. Их источником выступают внутренний генератор, а также другие вспомогательные электронные компоненты, участвующих в генерации высокочастотного импульса.

Отличить коммутационные искажения просто, их появление напрямую связано с частотой внутреннего генератора, а также срабатыванием электронных ключей.

регулировка напряжения импульсного блока питания
Зафиксированные на RIGOL DHO4204 искажения вызванные коммутационными процессами

Третьим источником выступает сама нагрузка. При её резком изменении ИП не успевает мгновенно отреагировать на новые условия. Причина этому - инертность, создаваемая конденсаторами. Они будут либо расходовать свой заряд для поддержания нагрузки, что приведёт к снижению потенциала на выходе, либо накапливать избыточную энергию, что способствует его повышению. За несколько циклов разряда-заряда конденсаторов ИП перестроится к новым условиям и параметры на выходе стабилизируются.

импульсный блок питания напряжение на выходе
Временные графики переходного процесса на выходе, создаваемого изменением нагрузки

Условиями, которые могут существенно повлиять на результаты замеров переходного процесса, являются скорость нарастания изменения нагрузки, начальный, а также конечный токи.

Чем быстрее происходит изменение нагрузки, тем сильнее будет отклонение выходного потенциала.

Также медленнее происходит подстройка блок питания к новым условиям и выше вероятность повреждения компонентов.

При исследовании переходных процессов интерес представляют величина отклонения напряжения на выходе, а также время, необходимое блоку для восстановления.

Негативный эффект

Любые преобразования питающего напряжения неизбежно ведут к отклонению его формы от первоначальной. Даже небольших изменений достаточно, чтобы активно влиять на работу электронных устройств.

Помехи в электронике способны вызывать искажение передаваемых импульсов, что сопровождается:

  • Ухудшением качества воспроизводимых аудио- и видеосигналов;
  • Росту числа ошибок в передаваемых данных;
  • Повреждению электронных компонентов потребителей.

В связи с этим оценка качества, выходных параметров ИП, очень важна. При этом зафиксировать их малые отклонения может быть весьма затруднительно. Причина этому - наведение помех внешними электромагнитными полями. Правильное выполнение осциллографических замеров повышает достоверность получаемых результатов.

Правила проведения замеров

Общие правила

Перед началом проведения замеров важно помнить следующее:

  • Нагрузка оказывает значительное влияние, поэтому диагностика должна проводиться в условиях, которые указаны в техническом паспорте изделия;
  • Входное напряжение также влияет на результат испытаний, поэтому их следует проводить при всех интересующих диапазонах;
  • Пробник должен располагаться в максимально близко к последнему конденсатору выходного фильтра;
  • При исследовании переходных процессов необходимо использовать два канала осциллографа. Первый используется для регистрации переходного процесса, второй - предназначен для регистрации импульса, синхронного изменению нагрузки. Он станет триггером для отслеживания временных параметров;

В случае наличия конкретных методик и рекомендаций, установленных производителем или стандартом, применяемых для проверки оборудования, необходимо пользоваться ими в обязательном порядке.

Правильная техника замера с помощью осциллографа

Осциллограф - основной инструмент для получения осциллограмм переменного тока, размаха пульсации напряжения при измерении импульсного тока, а также пульсаций выпрямленного напряжения.

Прежде чем приступить к проведению замеров пульсаций или же переходных процессов, необходимо учесть некоторые особенности осциллографических измерений. Поскольку величина интересующего нас сигнала измеряется всего в тысячных вольта, то любой усиливаемый внутренний сигнал, или же поступающий извне, может легко повысить шумность или исказить его. Это может привести к получению недостоверных результатов. Поэтому крайне важно устранить эту проблему с помощью правильных приёмов и техник.

Одним из основных действий, что может выполнить тестировщик для обеспечения качественной диагностики, - это минимизировать петлю заземления, создаваемую пробником. Образующаяся петля создаёт индуктивность, которая способна усилить внутренние, а также внешние наводимые шумы.

Обычно пробники оборудуются зажимом для присоединения заземления типа "крокодил", подобным тому, что показан на рисунке ниже.

дифференциальный пробник купить в суперайс
Дифференциальный пробник для осциллографа P6100 (1:10, 100МГц)

Несмотря на простоту присоединения, такие заземляющие зажимы приводят к образованию больших петель. Их не рекомендуется использовать для выполнения подобных измерений.

измерение контура заземления
Большой контур заземления, образуемый длинным заземляющим зажимом

Специально для решения подобных ситуаций существуют два распространённых и предпочтительных приёма осуществления измерений. Это методы "кончика и гильзы", а также "скрепки". Они обеспечивают небольшую по размеру петлю заземляющего контура.

Метод "кончика и гильзы"

При использовании приёма "кончика и гильзы" удаляется крючок и изолирующий колпачок. При этом кончик щупа и гильза зонда остаются обнажёнными. Конец пробника прикладывается к контакту с выходным напряжением, а пробник наклоняется так, чтобы гильза, подключённая к линии заземления, контактировала с точкой земли на плате.

К особенностям такого технологического приёма можно отнести:

  • Соединяемые точки должны располагаться очень близко друг к другу;
  • Доступные к присоединению точки могут быть неидеальными;
  • Присоединяемые контакты могут находиться на значительном удалении от необходимого конденсатора выходной цепи.
пульсация электрического тока
Пример идеального использования метода "кончика и гильзы"

Метод "скрепки"

Приём «скрепки» значительно удобен. Суть его заключается в том, что он позволяет пользоваться пробником как пинцетом. Сама скрепка представляет из себя свитый из проволоки цилиндр с одним выступающим концом, надеваемым на гильзу щупа.

измерение пульсации напряжения постоянного тока
Виды осциллографических «скрепок», а также пример их размещения

«Скрепка» позволяет выполнить наконечник пробника, похожим на пинцет. Она повышает удобство использования, при этом создавая небольшую по площади петлю заземления.

частота пульсаций тока
Пример использования метода «скрепки»

Рассмотренные техники являются не единственными, но одними из наиболее распространённых. Для получения хорошей осциллограммы пульсаций тока всегда нужно стараться обеспечить, такую петлю заземляющего контура, чтобы она была как можно меньше.

измерение фазового шума
Осциллограммы импульсного блока питания: измерение фазовых шумов при большом контуре заземления (слева), а также при использовании приспособления - скрепка (справа)

Рекомендации

Оценка качества импульсного напряжения ИП - это обычная часть проводимых испытаний. При измерении его характеристик с помощью осциллографа важно минимизировать площадь петли, создаваемой между наконечником щупа и контактом заземления. Это позволяет избежать искажения рассматриваемых пульсации выходного напряжения.

Помимо применения правильной техники выполнения замеров, также важно соблюдать все условия, а также корректно проводить сравнения, с учётом указаний, отмеченных в техническом описании к устройству.

Для уменьшения и предотвращения пульсации на выходе блока питания можно применять различные методы, включая использование фильтров, стабилизаторов напряжения, экранирования проводов, а также отдельных элементов схемы. Также этому способствует правильная разводка силовых линий и заземлённых цепей.

Всё это поможет обеспечить более стабильное и «чистое» электропитание для вашей электроники, а также уменьшит негативное влияние помех и шумов.


Количество показов: 6478
24.07.2023
Понравилась статья? Поделитесь ей в ваших социальных сетях:

Возврат к списку