Statické a dynamické parametre, stabilita, šum…

Na základe príspevkov na fóre ohľadom zdrojov sme sa rozhodli napísať tento článok, aby sme ozrejmili čitateľom aké parametre sú pre správnu funkciu laboratórneho zdroja dôležité. Ako objekt merania bol použitý zdroj zverejnený v tomto článku.

Nároky na zdroj sú samozrejme u každého užívateľa individuálne. Niekomu stačí zdroj na reguláciu žiarovky či motorčeka. Kto to však s elektronikou myslí vážnejšie, tak začínajú u neho stúpať aj nároky na zdroj. Preto ho začínajú zaujímať parametre ako rýchlosť reakcie prúdovej poistky, kvalita regulácie, šum a stabilita zdroja, vnútorný odpor a pod…

Zoznam použitých prístrojov:

Voltmeter, TrueRMS mVmeter, datalogger: Fluke 289
Ampermeter:Escort99
Osciloskop:Rigol DS1204B

Vplyv kolísania sieťového napätia

Vplyv kolísania sieťového napätia v režime konštantného napätia (CV)

Cieľ merania: Zmerať vplyv kolísania sieťového napätia ±10% na výstupné napätie zdroja v režime CV.

Schéma zapojenia:

Obr 1: Schéma zapojenia pre vyšetrenie vplyvu sieťového napätia na výstupné napätie (CV) a prúd (CC)

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy na Obr. 1.
b) Nastaviť požadované sieťové napätie.
c) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na maximum.
d) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
e) Nastaviť záťaž aby odoberala zo zdroja nominálny prúd (stále sme v režime CV)
f) Presným Vmetrom zmeriame výstupné napätie zdroja.
g) Na autotransformátore nastavíme novú hodnotu sieťového napätia.
h) Pokračujeme bodom f.

Výsledky merania:

Sieťové napätie	Výstupné napätie
207.9V	23.176
231V	25.022V
254.1V	25.024V

Tab 1: Vplyv kolísania sieťového napätia na výstupné napätie v CV, 25V, 2A

Sieťové napätie	Výstupné napätie
207.9V	25.019V
231V	25.017V
254.1V	25.018V

Tab 2: Vplyv kolísania sieťového napätia na výstupné napätie v CV, 25V, 1A

Vplyv kolísania sieťového napätia v režime konštantného prúdu (CC)

Cieľ merania:
Zmerať vplyv kolísania sieťového napätia ±10% na výstupný prúd v režime CC.

Popis merania:

a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 1.

b) Nastaviť požadované sieťové napätie.

c) Nastaviť výstupné napätie zdroja na maximum

d) Nastaviť prúdové obmedzenie na nominálny prúd zdroja.

e) Nastaviť záťaž, aby na svorkách zdroja bolo nominálne napätie (stále sme v režime CC)

f) Presným ampérmetrom zmeriame výstupný prúd zdroja.

g) Na autotransformátore nastavíme novú hodnotu sieťového napätia.

h) Pokračujeme bodom f.

Výsledky merania:

Sieťové napätie	Výstupný prúd
207.9V	1.8771A
231V	2.0006A
254.1V	2.0008A

Tab 3: Vplyv kolísania sieťového napätia na výstupný prúd režime CC, 25V, 2A

Sieťové napätie	Výstupný prúd
207.9V	1.0022A
231V	1.0021A
254.1V	1.0023A

Tab 4: Vplyv kolísania sieťového napätia na výstupný prúd režime CC, 25V, 1A

Poznámka:
Kolísanie výstupného napätia pre prúd 1A je pod rozlišovacou schopnosťou použitého V metra, keďže použitý voltmeter má pre daný rozsah presnosť 0,0255%+2digit.
Meranie pri prúde 2A je uvedené ako príklad nedostatočne dimenzovaného transformátora prípadne výstupnej filtrácie. Meraný zdroj by nevyhovel požiadavke na 2A zdroj. Ďalej budeme meraný zdroj považovať za 25V/1A zdroj. Meranú zdroj nemal presne definovanú špecifikáciu a preto sme takto ohraničili jeho parametre. V prípade, že testujeme výrobok ku ktorému výrobca dodáva základné parametre porovnávame výsledky s katalógovými údajmi výrobcu a môžeme vysloviť záver či zdroj vyhovel alebo nie.

Vplyv záťaže

Vplyv záťaže na výstupné napätie v režime CV

Cieľ merania:
Overiť kvalitu napäťovej regulácie, zistiť vnútorný odpor zdroja.

Schéma zapojenia:

Obr 2: Schéma zapojenia pre vyšetrenie vplyvu záťaže na výstupné napätie (CV) a prúd (CC)

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 2.
b) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na maximum.
c) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
d) Nastaviť záťaž aby odoberala zo zdroja nominálny prúd (stále sme v režime CV)
e) Presným Vmetrom zmeriame výstupné napätie zdroja.
f) Odpojíme záťaž
g) Presným Vmetrom zmeriame výstupné napätie zdroja.

Výsledky merania:

Výst. Napätie zdroja	Nastavený prúd	Pokles výst. Napätia
25.006	0A	0V
24.962	1.0010A	44mV
24.929	2.0152A	77mV

Tab 5: Vplyv záťaže na výstupné napätie v režime CV, 25V

Vnútorný odpor vypočítame ako:

Z nameraných dát vieme určit 3 hodnoty:

Priemerná hodnota:

Odchýlka výstupného napätia pri prúde 1A:

Vplyv záťaže na výstupný prúd v režime CC

Cieľ merania:
Overiť kvalitu prúdovej regulácie, zistiť vnútorný odpor zdroja.

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy.
b) Nastaviť výstupné napätie zdroja na maximum.
c) Nastaviť prúdové obmedzenie na nominálny prúd zdroja.
d) Nastaviť záťaž aby na svorkách zdroja bolo nominálne napätie (stále sme v režime CC)
e) Presným ampérmetrom zmeriame výstupný prúd zdroja.
f) Záťaž nahradíme skratom
g) Presným ampérmetrom zmeriame výstupný prúd zdroja.

Výsledky merania:

Výst. prúd zdroja	Nastavené napätie	Zmena výstupného prúdu
1.0019A	25.011V	0V
1.0025A	12.012V	+6mA
1.0037A	0.0000V	+18mA

Tab 6: Vplyv záťaže na výstupný prúd v režime CV, 1A

Výst. prúd zdroja	Nastavené napätie	Zmena výstupného prúdu
1.9993A	25.070V	0V
1.9986A	12.071V	-7mA
1.9996A	0.0000V	+3mA

Tab 7: Vplyv záťaže na výstupný prúd v režime CV, 2A

Vnútorný odpor vypočítame ako:

Z nameraných dát vieme určiť 3 hodnoty:

Priemerná hodnota:

Odchýlka výstupného napätia pri prúde 1A:

Poznámka:
Nami namerané hodnoty vnútorného odporu sa navzájom značne líšia. V kontrolnom meraní pre 2A dokonca vychádza vnútorný odpor „záporný“. Chyba je pravdepodobne spôsobená ohrevom bočníka v zdroji teda zmenou jeho odporu a tým zmenou výstupného prúdu zdroja. Reálnejšie hodnoty by sme získali buď veľmi rýchlym meraním to si ale vyžaduje elektronickú záťaž. Druhá možnosť je počkať na ustálenie prúdu ale takto získaný vnútorný odpor nebude mať veľkú výpovednú hodnotu.
Ideálny zdroj by mal mať v režime konštantného napätia nekonečne malý výstupný odpor a naopak v režime konštantného prúdu nekonečne veľký výstupný odpor.

Zvlnenie a šum výstupného napätia/prúdu

Zvlnenie výstupného napätia v režime konštantného napätia (CV)

Cieľ merania:
Vyšetriť zvlnenie a šum výstupného napätia zdroja v napäťovom režime

Schéma zapojenia:

Obr 3: Schéma zapojenia pre vyšetrenie šumu výstupného napätia/prúdu

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 3.
b) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na maximum.
c) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
d) Nastaviť záťaž aby odoberala zo zdroja nominálny prúd (stále sme v režime CV)
e) Presným true RMS mVmetrom zmeriame zvlnenie výstupného napätia.
f) Zapojíme osciloskop s AC väzbou na miesto mVmetra a nastavíme 20MHz šírku pásma
g) Zmeriame priebeh zvlnenia výstupného napätia

Výsledky merania:

Obr *: Zvlnenie výstupného napätia v režime CV pri záťaži 25V, 1A

Prúd	Napätie	RMS multimeter	RMS osciloskp	Peak-peak osciloskop
2A	25V	0.621mV	1,45mV	4,96mV
2A	12V	0.621mV	1,31mV	3,76mV
1A	25V	0.611mV	1,43mV	4,88mV
1A	12V	0.610mV	1,38mV	4,40mV

Tab 8: Zvlnenie výstupného napätia v režime CV pri záťaži 1A

Zvlnenie výstupného prúdu v režime konštantného prúdu (CC)

Cieľ merania:
Vyšetriť zvlnenie a šum výstupného napätia zdroja v napäťovom režime

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 3.
b) Nastaviť výstupné napätie zdroja na maximum.
c) Nastaviť prúdové obmedzenie na nominálny prúd zdroja.
d) Nastaviť záťaž tak, aby na svorkách zdroja bolo nominálne napätie (stále sme v režime CC)
e) Presným true RMS mVmetrom zmeriame zvlnenie výstupného napätia.
f) Zapojíme osciloskop s AC väzbou na miesto mVmetra a nastavíme 20MHz šírku pásma
g) Zmeriame priebeh zvlnenia výstupného napätia

Výsledky merania:

Obr *: Zvlnenie výstupného prúdu v režime CC pri zátaži 25V, 1A
(1div = 200uA)

Napätie	RMS multimeter	RMS osciloskop	Peak-peak osciloskop
2A	25V 490uA	505uA	1,856mA
2A	12V 512uA	558uA	2,4mA
1A	25V 277uA	251uA	1,032mA
1A	12V 267uA	295uA	1,25mA

Tab 9: Zvlnenie výstupného prúdu v režime CV pri záťaži 1A

Stabilita výstupného napätia/prúdu

8hodinová stabilita napätia v režime CV

Cieľ merania:
Vyšetriť 8hod stabilitu výstupného napätia zdroja v režime CV.

Schéma zapojenia:

Obr. 4: Schéma zapojenia pre vyšetrenie stability výstupného napätia v režime CV

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 4.
b) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na maximum.
c) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
d) Nastaviť záťaž aby odoberala zo zdroja nominálny prúd (stále sme v režime CV)
e) Necháme zdroj min. 30 minút ustáliť.
f) Spustíme datalogger a zaznamenáme kolísanie výstupného napätia po dobu 8 hodín

Výsledky merania:

Obr. 5: Kolísanie výstupného napätia zdroja počas 8hod v režime CV 25V 1A

Max. hodnota výstupného napätia: 25.129V
Stredná hodnota výstupného napätia: 25.113V
Min. hodnota výstupného napätia:25.078V

8hodinová stabilita prúdu v režime CC

Cieľ merania:
Vyšetriť 8hod stabilitu výstupného prúdu zdroja v režime CC.

Schéma zapojenia:

Obr 6: Schéma zapojenia pre vyšetrenie stability výstupného prúdu v režime CC

Popis merania:
a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 6.
b) Nastaviť výstupné napätie zdroja na maximum.
c) Nastaviť prúdové obmedzenie na nominálny prúd zdroja.
d) Nastaviť záťaž aby na svorkách zdroja bolo nominálne napätie (stále sme v režime CC)
e) Necháme zdroj min. 30 minút ustáliť.
f) Spustíme datalogger a zaznamenáme kolísanie výstupného prúdu po dobu 8 hodín

Výsledky merania:

Obr. 7: Kolísanie výstupného prúdu zdroja počas 8hod v režime CC 25V 1A

Max. hodnota výstupného prúdu: 1.0046A
Stredná hodnota výstupného prúdu: 1.0018A
Min. hodnota výstupného prúdu: 1.0008A

Dynamická odozva na zmenu záťaže

Dynamická odozva na zmenu záťaže v režime (CV)

Cieľ merania:
Zistenie rýchlosti odozvy napäťového regulátora pri skokovej zmene záťaže

Schéma zapojenia:

Obr. 8: Schéma zapojenia pre vyšetrenie vplyvu záťaže na výstupné napätie (CV) a prúd (CC)

Popis merania:

a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 8.
b) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na maximum.
c) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
d) Rozpojiť elektronický spínač
e) Nastaviť záťaž 1, aby odoberala zo zdroja 1/2 nominálneho prúdu
f) Zopnúť elektronický spínač
g) Nastaviť záťaž 2, aby odber zo zdroja zodpovedal nominálnemu prúdu (stále sme v režime CV)
h) Pripojíme elektronický spínač na generátor a modulujeme ho obdĺžnikom s 50% striedou a frekvenciou 10Hz (nie je kritické, zvoliť podľa rýchlosti testovaného zdroja)
i) Zatriggrujeme osciloskop na zopnutie spínača a uložíme priebeh
j) Zatriggrujeme osciloskop na rozopnutie spínača a uložíme priebeh

Výsledky merania:

Obr 9: Odozva na pripojenie záťaže (skok z 1A na 2A pri 25V) v režime CV

Obr 10: Odozva na odpojenie záťaže (skok z 2A na 1A pri 25V) v režime CV

Dynamická odozva na zmenu záťaže v režime (CC)

Cieľ merania:
Zistenie rýchlosti odozvy prúdového regulátora skokovej zmene záťaže

Popis merania:

a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 8.
b) Nastaviť maximálne napätie zdroja.
c) Nastaviť prúdovú poistku zdroja na hodnotu nominálneho prúdu.
d) Rozpojiť elektronický spínač
e) Nastaviť záťaž 1, aby napätie na svorkách zdroja zodpovedalo menovitému napätiu (u nás 25V) (stále sme v režime CC)
f) Zopnúť elektronický spínač
g) Nastaviť záťaž 2, aby napätie na svorkách zdroja zodpovedalo 1/2 menovitého napätia (u nás 12,5V)
h) Pripojíme elektronický spínač na generátor a modulujeme ho obdĺžnikom s 50% striedou a frekvenciou 10Hz (nie je kritické, zvoliť podľa rýchlosti testovaného zdroja)
i) Zatriggrujeme osciloskop na zopnutie spínača a uložíme priebeh
j) Zatriggrujeme osciloskop na rozopnutie spínača a uložíme priebeh

Výsledky merania:

Obr 12: Detail odozvy na pripojenie záťaže (skok z 25V na 12,5V pri 2A v režime CC

Obr 13: Detail odozvy na odpojenie záťaže (skok z 12,5V na 25V pri 2A v režime CC

Obr 14: Odozva na pripojenie záťaže (skok z 25V na 12,5V pri 1A v režime CC

Obr 15: Detail odozvy na pripojenie záťaže (skok z 25V na 12,5V pri 1A v režime CC

Obr 16: Detail odozvy na odpojenie záťaže (skok z 12,5V na 25V pri 1A v režime CC

Odozva zdroja na zmenu záťaže pri prechode z režimu CV do režimu CC a späť

Cieľ merania:
Vyšetrenie odozvy zdroja pri prechode z režimu CV do režimu CC a späť.

Popis merania:

a) Zapojiť meraciu aparatúru podľa schémy Obr. 8.
b) Nastaviť prúdovú poistku zdroja hodnotu nominálneho prúdu.
c) Nastaviť nominálne napätie zdroja.
d) Rozpojiť elektronický spínač
e) Nastaviť záťaž1 aby odoberala zo zdroja 1/2 nominálneho prúdu (režim CV)
f) Zopnúť elektronický spínač
g) Nastaviť záťaž 2 aby aby napätie na svorkách zdroja zodpovedalo 1/2 menovitého napätia (u nás 12,5V) (režim CC)
h) Pripojíme elektronický spínač na generátor a modulujeme ho obdĺžnikom s 50% striedou a frekvenciou 10Hz (nieje kritické, zvoliť podľa rýchlosti testovaného zdroja)
i) Zatriggrujeme osciloskop na zopnutie spínača a uložíme priebeh
j) Zatriggrujeme osciloskop na rozopnutie spínača a uložíme priebeh

Výsledky merania:

Obr 17: Odozva na pripojenie záťaže (skok z 25V na 12,5V pri zmene prúdu z 0,5A na 1A
prechod z režimu CV do režimu CC

Obr 18: Odozva na odpojenie záťaže (skok z 12,5V na 25V pri zmene prúdu z 1A na 0,5A
prechod z režimu CC do režimu CV

Poznámka:
Cieľom tohto merania bolo vyšetriť chovanie zdroja pri prechodoch medzi napäťovým a prúdovým režimom. Daný zdroj netrpí napäťovým prekmitom pri skokovom odľahčení ale pri skokovom zaťažení sa objavuje prúdový prekmit s amplitúdou približne 2A, čo bolo v našom prípade 2x viac ako bolo nastavené prúdové obmedzenie. Pri používaní zdroja v prúdovom režime na to treba brať ohľad.

Záver:

Keďže meraný zdroj je amatérska konštrukcia a nemá (nemal 😉 ) žiadne bližšie technické špecifikácie nebolo možné meranie uzavrieť jednoznačným tvrdením či zdroj vyhovel alebo nevyhovel. Počas väčšiny meraní sme zdroj považovali za 25V/1A.
Pri meraní odozvy na zmenu záťaže sme však na toto pozabudli a tak meranie je len pre zmenu 1A – 2A. Takisto pri meraní dlhodobej stability by bolo vhodnejšie samostatne vyšetrovať teplotnú stabilitu zdroja a samostatne časovú. Toto meranie je však náročné takže sme sa rozhodli pre zjednodušenie.
Pokiaľ vás článok motivoval a rozhodnete sa aj vy pre zmeranie parametrov zdroja podľa nášho návodu tak budeme radi keď sa s nami podelíte o výsledky merania v nasledovnej téme na fóre

Autori: Washu & zawin