Continuamos esta série de artigos que complementa a série XYZ do osciloscópio analisando algumas aplicações especiais como as disponíveis nos tipos da série TDS da Tektronix. Com recursos que tornam o osciloscópio uma ferramenta de análise completa veremos mais duas aplicações importantes na análise de formas de onda encontradas em aplicações industriais como conversores de tensão e ripple de linha. Este artigo foi baseado em documentação fornecida pela Tektronix.
Capturando e Analisando a Energia nos Modos de Partida de Conversores
Um problema que pode ser encontrado em muitos osciloscópios digitais é que eles não possuem memória suficiente para capturar todo o processo de partida com uma taxa de amostragem razoável.
A possibilidade de habilitar diversas opções de memória de osciloscópios como os da série TDS da Tektronix torna o registro de todo o processo de partida de conversores possivel conforme veremos a seguir.
Uma das aplicações mais comuns dos osciloscópios digitais em eletrônica de potência é a captura das formas de onda geradas no processo de partida de conversores de potência.
O conhecimento deste processo é de fundamental importância, pois é justamente neste intervalo que os componentes são submetidos ao maior stress elétrico.
Uma operação única do osciloscópio digital é necessária para possibilitar a captura este evento pois só há uma chance de se fazer isso.
Em outra palavras, não temos eventos de partidas iguais.
O desafio básico para se capturar um evento único como este é controlar a seguinte relação:
tempo de registro (segundos) = tempo de regristro (amostra)/taxa de amostragem (amostras por segundo)
O tempo de registro é um requisito fixado pela sua aplicação. A taxa de amostragem e tempo de registro são especificações do osciloscópio digital.
A taxa de amostragem deve ser rápida o suficiente para capturar detalhes significantes das formas de onda.
Não existe nenhuma regra absoluta, mas deve-se amostrar pelo menos cinco vezes a faixa passante do sinal mais rápido.
Para análises na freqüência da linha de energia a taxa de amostagem não é normalmente um fator limitante.
Uma taxa de amostragem de 10 kS/s é mais do apropriado. Um tempo de registro de 5 000 pontos, por exemplo, possibilita um tempo de registro de 0,5 segundos ou 30 ciclos de alimentação consecutivos.
Por outro lado, para medidas em fontes chaveadas, deve-se levar em conta a freqüência de operação de acordo com cada caso.
A partir do momento em que a faixa passante não é uma especificação típica em circuitos de potência, deixa-se que o usuário do osciloscópio selecione a taxa de amostagem baseando-se tanto na sua experiência ou por tentativa e erro.
Por exemplo, inicialmente, pode-se ajustar todos os instrumentos (TDS, TCP202 e P5205) para sua máxima faixa passante então observa-se se os sinais mudam de modo apreciável quando são habilitadas as diversas funções limitadoras da banda passante (por exemplo, limite de 20 MHz de faixa passante).
Da mesma forma, pode-se diminuir a taxa de amostragem do TDS e determinar se estão sendo perdidos detalhes de alta freqüência da forma de onda ou resolução das medidas.
Qualquer perda de resolução pode ser recuperada aumentando-se o tempo d eregistro. Isto é geralmente um processo iterativo.
Este procedimento torna-se apenas um ítem já eu cada tipo de osciloscópio propoorciona tempos de gravação cada vez mais longos.
A figura 1 mostra um resultado típico.
A forma de onda superior é a tensão inversa no diodo Shottky de um conversor chaveado. A forma de onda inferior é a corrente no sentido direto no mesmo diodo.
O intervalo de partida corresponde a aproximadamente 8 divisões horizontais ou 800 microsegundos.
Neste caso, ajustamos o TDS para um tempo de registro de 1 ms que corresponde a 50 000 amostragens. Este ajuste é conseguido com uma taxa de amostragem de 50 MS/s.
Depois que o evento inteiro é capturado, pode-se usar a função zoom do TDS para expandir a forma de onda e analisar os longos pulsos de corrente direta de aproximafdamente 500 us no intervalo de partida.
A figura 2 mostra as formas de onda originais expandidas horizontalmente 10 vzes (forma de onda superior) e as formas de onda originais (tela inferior). Em outras palavras, pode-se agora analisar dados de 100 microsegundos ou 5 000 amostragens.
Temos uma resolução horizontal suficiente para analisar pulsos inddividuais. De fato, extstem 0500 amostragens de dados em cada dez divisões horizontais.
Separando Ripples de Comutação de Ripples de Linha
Um problema para o trabalho com a análise de formas de onda em conversores é que o ripple de saida destes conversiores mascara a medida do ripple de linha.
Com os recusros de aquisição de dados de alta resolução de osciloscópios digitais como os da série TDS da Tektronix esta medida pode ser feita.
O modo de alta resolução dos osciloscópios TDS podem atenuar os ripples de comutação de tal forma que os ripple de linha podem ser isolados e quantificados.
A medida do ripple de saída nos conversores lineares tradicionais é simples já que o osciloscópio pode ser disparado com a tensão de linha e a imagem estará travada nos padrões da linha.
Com os conversores chaveados, não ocorre o mesmo já que a saída do conversor é misturada com o ruído de chaveamento.
Assim, medir as características do ripple da freqüência de chaveamento é normalmente simples, já que podemos disparar o osciloscópio com a tensão de ripple tanto na sáida como em qualquer ponto do circuito em que exista um sinal próprio para isso.
Mas medir o ripple de linha é um outro problema.
E, este pode ser uma medida até mais importante já que o ripple de baixa freqüência pode introduzir roncos nas bandas laterais de equipamentos de áudio ou de comunicações.
A forma de onda superior na figura 3 mostra a freqüência de ripple de 120 Hz retificada de um conversor DC-DC.
O TDS calcula a tensão pico a pico de 1,08 V deste sinal.
A forma de onda do meio é a tensão de 5 V de saída usando a amostragem digital convencional do osciloscópio.
Com o ajuste de uma base de tempo apropriado pode-se visualizar o ripple de linha (o ruído de 50 kHz de 88 mV pico a pico da comutação domina a imagem.
Não existe nenhuma indicação de tensão de 120 Hz nesta imagem. No entanto, na forma de onda inferior temos a c aptura do mesmo sinal usando o modo de aquisição de alta resolução do TDS que não mascara a componente de ripple tão elusiva.
O ruído de comutação é rejeitado e o ripple de 120 Hz pode ser medido. O valor pico a pico deste ripple é de 6 mV representando uma atenuação de 180 para 1 ou 45 dB )ou seja 20 x log (1,08/6 mV)).
O modo de aquisição de alta resolução do TDS representa o romprimento de uma barreira nas medidas de conversores de potência já que ele proporciona capacidades de filtragem do sinal além do tradicional limite da faixa passante em 20 MHz.
O resultado relevante do modo de aquisição de alta resolução ocorre porque seu sinal passa por um filtro passa-baixas que é consistente com a taxa de amostragem selecionada.
Na figura 3 , a taxa de amostragem foi de 50 kS/s que é claramente inadequada (forma de onda do meio) para a aquisção do ruído de 50 kHz de comutação, mas uma taxa apropriada para a componente de 120 Hz foi selecionada na parte superior da imagem.
O TDS filtra a componente de comutação de 50 kHz usando um processamento digital antes de apresentar o resultado na forma de onda inferior da tela.
É importante entender por que uma média da forma de onda não funciona nesta aplicação. Por exemplo, pode-se disparar o osciloscópio na tensão da linha para sincronizar a auisição de dados ao ripple de linha e então fazer a forma média de onda passar pelo filtro para eliminar o ruído de comutação.
Em princípio, isto poderia funcionar se o ripple de comutação fosse um sinal aleatório.
No entanto, ele é um ruído na freqüência de comutação. Como a freqüência de linha não é sincronizada com a freqüência de comutação a forma de onda obtida da mésia vai apresentar uma modulação curiosa que varia com o tempo.
