ociloscopio tectronic para la medicion de armonicas
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Utilización deosciloscopios entiempo real pararealizar medidaselectrónicas de potencia
Nota de aplicación
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Los osciloscopios de fósforo digital de la serie TDS7000 permiten realizar medidas y análisis de formas
de onda en sistemas y dispositivos electrónicos de potencia con métodos que tradicionalmente no
resultaban prácticos.
Introducción
Los osciloscopios en tiempo real con gran longitud de registro pueden
capturar y presentar los detalles de las transiciones de conmutación
en las fuentes de alimentación conmutadas de alta frecuencia, incluso
cuando se trata de transitorios que duran muchos milisegundos. Se
pueden registrar los detalles de hasta cuatro formas de onda en alta
resolución, durante los modos de arranque o protección o a lo largo de
un periodo completo de la línea de CA en un sistema rectificador con
corrección de factor de potencia. Algunos osciloscopios en tiempo real
disponen de potentes capacidades matemáticas integradas de forma
de onda que permiten la realización de cálculos, tales como pérdidas
de potencia media o instantánea o el espectro de armónicos, con pre-
sentación directa de los resultados en la pantalla del osciloscopio.
Las matemáticas de forma de onda también se pueden utilizar para
mejorar la precisión de las medidas.
Las sondas diferenciales de alta tensión, al igual que las sondas de
corriente continua (CC), se conectan directamente al panel frontal
de algunos osciloscopios en tiempo real, lo que permite realizar
medidas flotantes en formas de onda de fuentes de alimentación
conmutadas. Un accesorio de calibración permite una calibración
automática y la puesta a cero de los niveles en todas las sondas.
Algunos osciloscopios en tiempo real disponen de un sistema de PC
integrado, basado en Windows, que simplifica la transferencia de datos
desde el osciloscopio a un ordenador personal (PC). Las formas de
onda se pueden exportar como archivos de mapas de bits y utilizarse
directamente en programas de edición de texto o de presentaciones.
Se pueden exportar datos numéricos al PC para su análisis posterior
utilizando hojas de cálculo o programas matemáticos. Estos archivos
también se pueden transferir a otros ordenadores utilizando la unidad
de disquete o la conexión Ethernet integradas. Estas características
se pueden utilizar para documentar transitorios y modos de protección
de dos sistemas convertidores, o para analizar pérdidas en el núcleo.
Esta nota de aplicación ilustra la utilización del osciloscopio de la serie
TDS7000 en aplicaciones electrónicas de potencia, permitiéndole des-
cubrir toda la capacidad de este instrumento para medir aspectos tales
como el rizado, las pérdidas medias de potencia, armónicos de línea de
corriente alterna (CA) y características B-H.
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Contenido
Captura y análisis de formas de . . . . . . . . .3onda flotantes de control de puerta
Captura y análisis de los modos . . . . . . . .5de protección en un convertidor CC-CC controlado por modo de corriente
Medida de armónicos de corriente . . . . . . .6de línea en un rectificador de CA-CC con factor de potencia corregido (PFC)
Monitorización de la saturación . . . . . . . . 8del núcleo y presentación de las características B-H
Medida de los modos de encendido y . . . . 11funcionamiento de un compensador electrónico para lámparas fluorescentes
Separación del rizado de conmutación . . .13del rizado de línea
Medida de potencia media e . . . . . . . . . . 16instantánea en transiciones de conmutación
Medidas de pérdidas del transistor . . . . . .18en un convertidor de impulsos PFC
Conclusión . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . .22
Medidas electrónicas de potenciaNota de aplicación
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Medidas electrónicas de potenciaFormas de onda flotantes de control de puerta
Nota de aplicación
Captura y análisis de formas de ondaflotantes de control de puerta
En los convertidores de conmutación que contienen transistores no
referenciados a tierra, resulta difícil capturar las formas de onda del
circuito de control de puerta. Por ejemplo, la Figura 1 ilustra un circuito
semipuente cuyo MOSFET superior no está referenciado a tierra. Para
verificar su correcta operación es necesario realizar la medida de la
tensión puerta-fuente producida por el transistor superior.
No es posible conectar una sonda convencional de tensión para medir
directamente la tensión puerta-fuente, puesto que el terminal de tierra
de la sonda está conectado al potencial de tierra a través del osciloscopio
y de su fuente de alimentación. Dejar el osciloscopio “flotante”
desconectando su conexión de seguridad a tierra no es una práctica
segura; además, en este caso tal práctica daría una medida incorrecta
porque los condensadores en modo común alojados en el interior
de la fuente de alimentación del osciloscopio, perturbarían la operación
del circuito bajo prueba.
Se pueden utilizar dos sondas convencionales de tensión para medir las
tensiones puerta-tierra y fuente-tierra, respectivamente y averiguar
después la tensión puerta-fuente restando ambos canales, eliminando
la señal de modo común, es decir, la tensión fuente-tierra. Esta técnica
no es satisfactoria cuando la tensión puerta-fuente es mucho menor
que la de la fuente de alimentación, debido a un inadecuado rechazo en
modo común y a la tendencia de la señal en modo común a saturar los
amplificadores de entrada.
La serie TDS7000 se puede utilizar para la captura y análisis de las
formas de onda flotantes de control de puerta en un circuito semipuente,
midiendo las tensiones flotantes de alta frecuencia mediante la sonda
diferencial de alta tensión P5205. La sonda P5205 permite realizar medi-
das seguras y altamente precisas de señales flotantes. Esta sonda también
proporciona una medición limpia y precisa de los transitorios de alta
velocidad, a la vez que suministra un excelente rechazo en modo común.
Su alta impedancia y baja capacidad en ambas entradas permite medir
con seguridad tensiones flotantes en fuentes de alimentación conmutadas
(hasta un máximo de 1300 V entre ambas entradas en la sonda P5205).
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas.
Además, la sonda diferencial de alta tensión P5205 se deberá ajustar a
cero utilizando el procedimiento indicado en su manual de instrucciones.
1. Conecte la sonda diferencial de alta tensión P5205 para medir la
forma de onda de la tensión puerta-fuente del dispositivo superior
(ver Figura 1).
2. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente en el
drenador del mismo dispositivo.
3. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
4. Seleccione “Acquisition” y defínalo, según sea necesario, como
“Sample” o “Peak Detect” (ver Figura 2).
5. Seleccione “Horizontal” y defina “Sample Rate” como 50 MS/s.
6. Configure el disparo en “Auto Trigger” y pulse las teclas de pendiente
“EDGE” y “POS” (flanco ascendente) en el panel frontal del osciloscopio.
Al circuito decontrol de puerta
Al circuito decontrol de puerta
P5205 _
+
Alimentación V
A la carga
Figura 1. Circuito semipuente.
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La Figura 2 ilustra las formas de onda medidas. El Canal 1 (traza amarilla)
muestra la corriente en el drenador del MOSFET a 2 A por división. El
Canal 2 (traza azul) muestra la forma de onda puerta-fuente superior a
5 V por división. En estas adquisiciones, la fuente de alimentación era de
200 V aproximadamente. El rango de atenuación de la sonda se estableció
en 50X para obtener una mejor resolución de la señal. El indicador audible
de fuera de rango se mantuvo activado (ON) y no se limitó el ancho de
banda (FULL).
La Figura 2a muestra que la tensión máxima puerta-fuente es de 14,75 V
y la mínima de – 1,3 V, lo que es suficiente para asegurar unos adecua-
dos conducción y corte del dispositivo. Estas formas de onda utilizan el
modo de muestreo por defecto (sample) en el que dicho muestreo se
realiza a la velocidad seleccionada.
Como verificación adicional en la forma de onda de control de puerta,
se puede utilizar el modo de detección de picos (peak detect), como en
la Figura 2b. En este modo, se utiliza una velocidad de muestreo de las
formas de onda de 2,5 GS/s y se almacenan alternadamente sus valores
extremos capturados (máximos y mínimos). Por ejemplo, a la velocidad
de 50 MS/s seleccionada en la Figura 2b, los datos de la forma de onda
se almacenan cada 20 ns. Cada punto de datos almacenado representa
el valor máximo o mínimo de las (2,5 GS/s)/(50 MS/s) = 50 muestras
adquiridas durante el período de 20 ns. La presentación resultante pro-
porciona una verificación adicional acerca de si se pierde o no el ruido o
el rizado en el proceso de muestreo. La Figura 2b ilustra que la forma de
onda de conducción de puerta parece ser suficiente para conmutar
adecuadamente el MOSFET. En la sección titulada “Separación del rizado
de conmutación del rizado de línea”, se comenta más ampliamente el
modo de muestreo, el modo de detección de picos y otros modos
de adquisición.
Para almacenar las formas de onda adquiridas en un archivo utilizable
por aplicaciones de PC, utilice los siguientes comandos de exportación
en el menú “File”. El comando “Select for Export” permite especificar
si se desea exportar formas de onda numéricas y datos de medidas
o imágenes de mapas de bits, de la retícula o de la pantalla completa.
El comando “Export Setup” permite seleccionar el formato del archivo;
para imágenes de mapas de bits se dispone de los formatos bitmap
(.bmp) y jpeg (.jpg), mientras que los formatos .txt, .csv y .dat están
disponibles para exportar datos numéricos a aplicaciones como proce-
sadores de texto, hojas de cálculo (Excel, Lotus 1-2-3, Quattro Pro) y
aplicaciones matemáticas (MATLAB, Mathcad). Finalmente, el comando
“Export” permite guardar el archivo en disco.
Medidas electrónicas de potenciaFormas de onda flotantes de control de puerta
Nota de aplicación
Figura 2b. Señales adquiridas utilizando el modo de detección de picos(peak detect). Canal 1 (traza amarilla): corriente en el drenador, 2 A/div.Canal 2 (traza azul): tensión puerta-fuente, 5 V/div.
Figura 2a. Señales adquiridas utilizando el modo de muestreo (sample).Canal 1 (traza amarilla): corriente en el drenador, 2 A/div. Canal 2 (traza azul):tensión puerta-fuente, 5 V/div.
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Medidas electrónicas de potenciaModos de protección en un convertidor CC-CC controlado por modo de corriente
Nota de aplicación
Captura y análisis de los modos deprotección en un convertidor CC-CCcontrolado por modo de corriente.
La adquisición en alta resolución, la gran longitud de registro y la elevada
velocidad de muestreo de la serie TDS7000, la convierten en la herra-
mienta ideal para la captura y análisis de los modos de protección en un
convertidor CC-CC controlado por modo de corriente, para determinar si
el circuito de limitación de corriente ciclo a ciclo funciona adecuada-
mente. El instrumento permite fácilmente la captura de transitorios
con una resolución excepcional, ideal para visualizar la operación de
la limitación de corriente ciclo a ciclo en un convertidor controlado por
modo de corriente.
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 y la sonda de tensión P6139A, utilizando el accesorio
de calibración de sondas.
1. Conecte la sonda de tensión P6139A para medir la forma de onda
de la tensión de entrada al comparador de sobrecorriente.
2. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente en el
drenador del MOSFET.
3. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
4. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”.
5. Configure el disparo como “Single Trigger” en modo “Normal” y pulse
las teclas de pendiente “EDGE” y "POS" (flanco ascendente) en el
panel frontal del osciloscopio.
6. Elija una longitud de registro lo suficientemente amplia para capturar
la forma de onda del modo de protección de corriente.
En la Figura 3, el Canal 1 (traza amarilla) es la corriente en el drenador
del dispositivo a 4,0 A por división y el Canal 2 (traza azul) es la forma
de onda en una de las entradas del comparador de sobrecorriente a
1,0 V por división. El disparo está configurado en el Canal 2 para un
nivel de 1,02 V.
La tensión en esta entrada del comparador es directamente proporcional
a la corriente en el drenador del dispositivo. El comparador tiene una
referencia de 1,0 V. De aquí que cuando la corriente en el drenador
aumenta por encima del límite de referencia seleccionado por el usuario
(1,0 V en este caso), también aumente la tensión en el Canal 2. Tan
pronto como esta tensión sobrepasa la referencia de 1,0 V, el compara-
dor de sobrecorriente fija un límite tal que la señal de conducción de
puerta al dispositivo se hace muy baja produciéndose el corte de éste.
De este modo, la corriente en el drenador se hace cero y se repite de
nuevo el proceso completo de arranque suave del convertidor. El com-
parador de sobrecorriente asegura también una descarga completa del
condensador de arranque suave antes de permitir de nuevo el proceso
de rearranque. La gran longitud de registro del osciloscopio facilita la
observación del comportamiento del circuito antes y después del inicio
de la acción del modo de protección.
Figura 3. Protección de sobrecorriente en un convertidor controlado pormodo de corriente. Canal 1 (traza amarilla): corriente en el drenador delMOSFET, 4 A/div. Canal 2 (traza azul): entrada de tensión al comparador de sobrecorriente, 1 V/div.
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Medida de armónicos de corriente delínea en un rectificador de CA-CC confactor de potencia corregido (PFC)
Equipada con longitud de registro decimal, medidas automáticas y cálculo de
la transformada rápida de Fourier (FFT), la serie TDS7000 es una herramienta
excelente para medir armónicos de corriente de línea de CA en un
rectifcador conmutado de CA-CC con factor de potencia corregido (PFC)
Las capacidades matemáticas del osciloscopio permiten el análisis
espectral en los dominios del tiempo y de la frecuencia. Los controles
del dominio de la frecuencia emulan a los tradicionales analizadores de
espectros, con la capacidad de configurar la frecuencia central, el margen
de frecuencia (“span”) y el ancho de banda de resolución. El osciloscopio
utiliza la función FFT para trazar la gráfica del espectro de magnitud y
fase de una forma de onda. En este caso se representa la magnitud de
los armónicos de la forma de onda de la corriente de línea de CA.
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas.
1. Configure la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente de
entrada de línea. La precisión de la medida queda maximizada cuando
se ajusta la escala vertical de forma tal que la forma de onda ocupe
toda la pantalla sin saturar el amplificador de entrada ni el convertidor
A/D. Ver en el paso 4 de la sección titulada “Separación del rizado de
conmutación del rizado de línea” la forma de ajustar la escala vertical
utilizando el modo de detección de picos.
2. En el menú “Math”, seleccione “Math Setup” y después “Spectral
Analysis Setup” (ver Figura 4).
3. En “Window Type”, seleccione “Black Harris”. Hay 8 tipos distintos
de ventanas para el análisis espectral. Cada tipo de ventana afecta
el aspecto de la respuesta del analizador espectral en el dominio
de la frecuencia. Por tanto, esta selección se efectúa basándose
solamente en el tipo de característica de cada ventana.
4. Defina “Frequency Span” como 1 kHz.
5. Defina “Center Frequency” como 500 Hz. Esto hará que la escala
horizontal pase a 100 Hz/div.
6. Seleccione “Mag” y defínalo como “Linear”.
7. Defina la función “Math 1” como SpectralMag(Ch1) de la
siguiente forma: en el menú “Create”, seleccione “Magnitude” y
después “Ch1”.
8. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
9. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”.
10. Configure el disparo como “Auto Trigger” y pulse las teclas de
pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente) en el panel frontal.
11. Seleccione “Apply”.
Medidas electrónicas de potenciaArmónicos de corriente de línea en un rectificador de CA-CC PFC
Nota de aplicación
Figura 4. Ventana de configuración del análisis espectral.
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Medidas electrónicas de potenciaArmónicos de corriente de línea en un rectificador de CA-CC PFC
Nota de aplicación
La Figura 5 ilustra los resultados. El Canal 1 (traza amarilla) está
configurado para medir la corriente de entrada a 500 mA por división.
M1 es la forma de onda “Math 1” (traza roja) que muestra las magni-
tudes armónicas de la corriente producidas por el convertidor. La FFT
incluye la frecuencia de 60 Hz de la línea de CA y sus armónicos.
La escala horizontal en la forma de onda “Math 1” se mide en unidades
de Hz y está ajustada a 100 Hz por división, empezando en 0 Hz (CC) a
la izquierda de la pantalla. Las unidades verticales en esta señal están
definidas como 1 mA por división. Esta elección supone que la amplitud
de la frecuencia fundamental esté fuera de la escala, pero permite que
las magnitudes armónicas se puedan leer con mayor precisión. Observe
que las formas de onda “matemáticas” pueden estar fuera de la escala
sin afectar la adquisición original de la forma de onda.
Tenga en cuenta que el algoritmo FFT exige que la escala horizontal de
la forma de onda de la corriente esté definida de forma que aparezcan
muchos ciclos en pantalla (aproximadamente 10). Si se desea, se puede
obtener incluso una vista ampliada de la forma de onda de la corriente
utilizando la función de magnificación (zoom).
Figura 5. Medida de la forma de onda de la corriente de línea y de suespectro. Canal 1 (traza amarilla): corriente de línea, 500 mA/div en laescala vertical, 20 mseg/div en la escala horizontal. “Math 1” (traza roja):espectro de la magnitud, 1,0 mA/div en la escala vertical, 100 Hz/div en la escala horizontal.
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Monitorización de la saturación del núcleo y presentación de las características B-H
La serie TDS7000 se puede utilizar para la monitorización de la saturación
del núcleo y para la presentación de las características B-H, tanto en
condiciones de prueba como de operación, mediante el empleo de su
función matemática de integración de formas de onda y de la exportación
de los datos numéricos de forma de onda a una hoja de cálculo Excel
o a cualquier otra herramienta de análisis de datos.
Estos osciloscopios de altas prestaciones se pueden utilizar para exportar
formas de onda, imágenes y medidas en varios formatos, los cuales
pueden utilizarse para realizar análisis posteriores con otras herramientas
de aplicación. En esta medida en particular se utiliza el formato .csv
(valores separados por comas); este formato se puede importar directa-
mente en una hoja de cálculo Excel. Las formas de onda exportadas en
formato .csv no contienen información de temporización ni de escala;
en su lugar, la forma de onda se exporta como valores con amplitudes
pero sin unidades. Los datos se escriben en el archivo secuencialmente,
desde la primera muestra de la forma de onda hasta la última.
La relación entre la densidad de flujo B y la intensidad de campo mag-
nético H del material del núcleo es importante en el diseño de un inductor
o de un transformador. La pendiente de esta característica es la per-
meabilidad µ del material del núcleo que influye sobre la inductancia. El
material del núcleo se satura a altas densidades de flujo originando una
gran reducción de la permeabilidad y la inductancia. El área contenida
dentro del bucle B-H es igual a la pérdida de energía por ciclo (pérdidas
del núcleo) por unidad volumétrica de material del núcleo. La medida
de B vs. H permite verificar las pérdidas del núcleo y la saturación
(o ausencia de ésta) de los elementos magnéticos en un convertidor de
conmutación. Tales medidas se pueden realizar incluso en un inductor
alojado dentro de un convertidor en operación.
La ley de Faraday asocia la densidad de flujo B a la integral de la tensión
aplicada a un bobinado. De aquí que podamos medir B(t) adquiriendo e
integrando la forma de onda de tensión del bobinado. La ley de Ampere
asocia la intensidad de campo magnético H a la corriente en el bobinado
(o en el caso de elementos con bobinados múltiples, al total de ampe-
rios-vuelta de todos los bobinados). Podemos medir H(t) obteniendo la
forma de onda de la corriente utilizando una sonda de corriente continua
(CC). En un dispositivo de bobinados múltiples, la sonda de corriente se
puede pinzar sobre todos los bobinados a la vez (si hay una proporción
de vueltas distinta de 1:1, se deberán poner múltiples vueltas a través
de la sonda de corriente, de acuerdo con la proporción de vueltas).
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas
y se deberá ajustar a cero la salida de la sonda diferencial de alta
tensión P5205.
1. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente del
bobinado primario del transformador.
2. Conecte la sonda de tensión P5205 para medir la tensión en el
bobinado secundario.
3. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”. Ajuste la longitud
de registro para igualar un ciclo completo de entrada sobre la pantalla.
Integración de la forma de onda de tensión:
4. En la barra de menús, seleccione “Math”, después seleccione la
ventana de control “Equation Editor”.
5. En esta ventana, seleccione “Time” e “Integral”.
6. Después, en el menú “Math”, seleccione “Math 1”. En el espacio
próximo a “Math 1” deberá ver “INTG(Math 1)” (ver Figura 6).
Seleccione “Apply”.
7. Configure el disparo como “Single Trigger” en el modo “Norma” y
pulse las teclas de pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente)
en el panel frontal del osciloscopio.
Medidas electrónicas de potenciaSaturación del núcleo y características B-H
Nota de aplicación
Figura 6. Ventana de integración de forma de onda.
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Medidas electrónicas de potenciaSaturación del núcleo y características B-H
Nota de aplicación
Para exportar los datos de la forma de onda a un archivo que pueda ser
leído por Excel, proceda con la siguiente secuencia:
8. En la barra de menús, seleccione “File”, después seleccione “Select
For Export” y “Waveform(data)”.
9. En la barra de menús, seleccione “File”, después seleccione la
ventana de control “Export Setup”.
10. En la ventana de control “Export Setup”, seleccione “Waveforms”.
11. Dentro del campo “Data Destination”, seleccione “Spreadsheet CSV”.
12. En “Source”, seleccione la forma de onda matemática o de canal
que se va a exportar (en esta medida seleccione Canal 1 para la
forma de onda de la corriente y “Math 1” para la forma de onda
integrada de tensión).
13. En “Waveform Curve Data Slope”, seleccione “All”.
14. Finalmente, seleccione “Export”.
La Figura 7 ilustra las formas de onda medidas en un transformador. El
canal 1 (traza amarilla) es la corriente del bobinado primario establecida
a 100 mA por división. El Canal 2 (traza azul) es la tensión del secun-
dario establecido a 50 V por división y “Math 1” (M1, traza roja) es la
integral de la forma de onda de tensión, definida a 200 mV por división.
Figura 7. Formas de onda medidas en el transformador. Canal 1 (traza amarilla): corriente del bobinado primario, 100 mA/div. Canal 2 (traza azul):tensión del bobinado secundario, 50 V/div. “Math 1” (traza roja): forma deonda integrada de la tensión.
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La gráfica de las características B-H es un proceso de dos pasos.
Primeramente se miden la corriente y la tensión y se genera la integral de
la tensión, utilizando la función matemática de integración de forma
de onda. Para medir la tensión diferencial a través del bobinado se utiliza
la sonda P5205; en muchas aplicaciones no se encuentra conectado a
tierra ningún lado del bobinado. En el paso 2, los datos de corriente y de
tensión integrada de la forma de onda se exportan a una hoja de cálculo
Excel. La corriente y la tensión integrada se multiplican por factores de
escala para obtener unidades MKS de Tesla y Amperios/metro. La inte-
gración de la ley de Faraday nos da:
B(t ) = B (0) + 1 t
v (t )dt nAc ∫
0
(1)
donde v(t) es la tensión inducida en el bobinado, n es el número de
vueltas del bobinado, Ac es el área de la sección transversal del núcleo
y B(t) es el valor medio de densidad de flujo en el núcleo. Podemos
obtener B(t) dividiendo la forma de onda de la tensión integrada por nAc.
Puesto que la función de integración puede contener una constante
arbitraria B(0), puede resultar deseable restar el valor medio de los
datos. La ley de Ampere asocia la intensidad del campo magnético H(t)
a la corriente del bobinado i(t) de la siguiente manera:
H (t ) = ni(t )
lm(2)
donde lm es la longitud media del campo magnético del núcleo. Así,
podemos obtener H(t) multiplicando la forma de onda de la corriente
por n/lm.
A continuación se traza la gráfica del bucle B-H utilizando las características
gráficas de Excel. La Figura 8 ilustra este resultado. Se puede ver que
esta característica no es lineal y muestra tanto histéresis como saturación.
El núcleo se satura cuando la magnitud de la densidad de flujo B excede
la densidad de flujo de saturación Bsat.
Medidas electrónicas de potenciaSaturación del núcleo y características B-H
Nota de aplicación
- 0.2
0.4
0.3
0.2
0.1
0
- 0.1
- 0.3
- 0.4
Bsat
- Bsat
- 0.15 - 0.1 - 0.05 0 0.05 0.1 0.15H
B
Figura 8. Ciclo B-H, trazado con Excel.
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Medidas electrónicas de potenciaModos de encendido y funcionamiento de un compensador electrónico
Nota de aplicación
Medida de los modos de encendido y funcionamiento de un compensador electrónico para lámparas fluorescentes
Un compensador electrónico incluye un inversor de alta frecuencia que
alimenta la lámpara con CA que tiene típicamente una frecuencia en el
rango de 50 a 100 kHz. El compensador debe proporcionar una elevada
tensión para encender la lámpara. El proceso de encendido puede durar
decenas de milisegundos. Una vez que la lámpara se ha encendido, el
inversor debe proporcionar una corriente regulada (a una menor tensión)
para funcionar con una potencia e intensidad de luz estabilizadas. Es
importante medir las formas de onda de tensión y corriente durante la
transición de encendido para garantizar una operación fiable.
Los tiempos de conmutación del transistor son típicamente de unas
decenas de nanosegundos, a la vez que el período de conmutación es de
diez o veinte microsegundos y que el tiempo de transición de encendido
puede durar decenas de milisegundos. La captura de todos estos eventos
exige velocidades de muestreo de decenas o cientos de megamuestras
por segundo con longitudes de registro de decenas de milisegundos.
Las prestaciones de la serie TDS7000 cubren estas necesidades al per-
mitir al usuario el registro del transitorio total de encendido y su posterior
magnificación para visualizar los tiempos de conmutación del transistor y
otras características detalladas en cualquier punto en el tiempo.
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de corriente
TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas y se deberá
ajustar a cero la salida de la sonda diferencial de alta tensión P5205.
1. Conecte la sonda de tensión P5205 en los extremos de la lámpara
fluorescente (ver Figura 9).
2. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente de
entrada de la lámpara fluorescente (ver Figura 9).
3. Configure el disparo como “Single Trigger” en el modo “Normal” y
pulse las teclas de pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente)
en el panel frontal del osciloscopio.
4. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
5. Seleccione “Horizontal” y mantenga “Sample Rate” tan elevado como
sea posible (ver Figura 10).
6. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”.
7. Ajuste convenientemente la longitud de registro para capturar los
Modos de encendido (STARTUP) y funcionamiento (RUN) en una
sola pantalla.
Figura 10. Ventana de configuración horizontal para controlar la velocidad de muestreo y la longitud de registro.
277 VeffV 60 Hz
COMPENSADOR
Lámpara fluorescente
P5205TCP202
Figura 9. Sondas de tensión y corriente conectadas a la lámpara.
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La Figura 11 ilustra las formas de onda resultantes. El Canal 1 (traza
amarilla) es la corriente de la lámpara y el Canal 2 (traza azul) es la
tensión. La velocidad de muestreo seleccionada es lo suficientemente
alta (12,5 MS/s) para evitar el aliasing de las formas de onda de con-
mutación del MOSFET. La posición del disparo se sitúa al 30% de la
pantalla y la fuente de disparo es la tensión de la lámpara en el Canal 2.
Los modos de encendido y funcionamiento son claramente visibles y
están indicados en la pantalla. Inicialmente es necesario un gran voltaje
para encender la lámpara; en este caso un pico de 650 V. Después
de 18,6 ms, aumenta la corriente conforme se establece el arco.
Posteriormente, las formas de onda de tensión y corriente quedan fijadas
en un modo de funcionamiento estable.
Para ampliar la forma de onda, marque y arrastre la parte deseada de la
forma de onda. Después seleccione “zoom” en la lista desplegable (haga
clic con el botón derecho del ratón) para magnificar el segmento resaltado
de la forma de onda. La mitad inferior de la pantalla muestra la forma de
onda magnificada.
Se pueden adquirir las mismas formas de onda de una manera muy simi-
lar utilizando el modo detección de picos, permitiendo la captura de los
valores de pico de las formas de onda con una resolución por debajo de
los nanosegundos.
Medidas electrónicas de potenciaModos de encendido y funcionamiento de un compensador electrónico
Nota de aplicación
Figura 11. Modos de encendido (STARTUP) y funcionamiento (RUN) capturados.Canal 1 (traza amarilla): corriente de la lámpara fluorescente, 500 mA/div.Canal 2 (traza azul): tensión a través de la lámpara fluorescente, 500 V/div.La mitad inferior de la pantalla muestra la zona magnificada.
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Medidas electrónicas de potenciaSeparación del rizado de conmutación del rizado de línea
Nota de aplicación
Separación del rizado de conmutación del rizado de línea
En fuentes de alimentación lineales, la medida del rizado de salida a dos
veces la frecuencia de línea (120 Hz) es relativamente fácil puesto que se
puede disparar el osciloscopio con la tensión de línea y así el osciloscopio
mostrará el rizado de la frecuencia de la línea. Pero en fuentes de ali-
mentación conmutadas, la señal de salida queda dominada por un rizado
de conmutación de cientos de kHz así como por otros ruidos. Se hace
difícil medir el componente de rizado de la tensión de salida que está
inducido por el rizado de rectificación de la línea de CA. Se dan casos
similares cuando se mide la calidad de la forma de onda de la corriente
de entrada en un rectificador fuera de línea con factor de potencia
corregido (PFC).
Los diversos modos de adquisición de la serie TDS7000 (muestreo,
envolvente, promediado, alta resolución (Hi Res) y detección de picos) la
convierten en la herramienta ideal para determinar la calidad de la tensión
de salida de CC de un convertidor conmutado, especialmente para la
determinación del ruido de salida y del rizado de conmutación. Esta tarea
se realiza separando el rizado de conmutación del rizado de la línea para
mostrar los componentes de baja frecuencia de una forma de onda que
contiene considerables armónicos de conmutación.
El modo de muestreo es el modo por defecto en que el osciloscopio
presenta muestras de las formas de onda sin ningún proceso adicional.
Los modos envolvente y promediado acumulan datos a través de
múltiples barridos.
El modo de alta resolución (Hi Res) realiza un rápido promediado de la
forma de onda que se puede utilizar para filtrar el ruido y el rizado de
conmutación y también para mejorar la resolución efectiva de la conversión
analógica-digital. En el modo de alta resolución, los osciloscopios de la
serie TDS7000 muestrean la forma de onda a una velocidad de 2,5 GS/s.
Los puntos de información de la forma de onda se almacenan a una
menor velocidad de muestreo, definida por la ventana de adquisición hori-
zontal. Cada punto de registro de datos se genera promediando todas las
muestras tomadas durante ese intervalo de adquisición. Las ventajas
principales del modo de alta resolución son aumentar la resolución inde-
pendientemente del tipo de señal de entrada y el promediado de formas
de onda durante el intervalo de adquisición. La resolución efectiva está
dada por la Ecuación 13 (ver la sección titulada “Medida de pérdidas del
transistor en un convertidor de impulsos PFC ”) hasta una resolución máxi-
ma de 16 bits. El proceso de promediado filtra de una forma eficiente la
forma de onda con una frecuencia de corte dependiente de la velocidad
de muestreo horizontal. Para esta medida, se aprovecha la propiedad del
promediado para atenuar el rizado de conmutación, seleccionando una
velocidad de muestreo menor que dicha frecuencia de conmutación. El
osciloscopio mostrará entonces el rizado de la línea de CA de baja frecuencia.
El modo de detección de picos es similar al modo de alta resolución, pero
registra los puntos de datos que resulten ser los valores extremos de la
forma de onda, incluyendo ruido y rizado de conmutación – en este caso,
muestras a 2,5 GS/s (los valores máximos y mínimos se almacenan de
forma alternativa) – permitiendo que el osciloscopio registre los niveles
de pico del ruido. Este modo también se puede utilizar para ajustar las
escalas verticales de los canales y evitar la saturación de los amplifi-
cadores de entrada y de los convertidores analógico-digital (ADC).
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas.
Además, la sonda diferencial de alta tensión P5205 se deberá ajustar a
cero utilizando el procedimiento indicado en su manual de instrucciones.
1. Conecte la sonda de tensión P5205 para medir la tensión de salida
con acoplamiento de CA.
2. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente de
entrada al convertidor.
3. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
4. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Peak Detect” (ver Figura
12). Para obtener una resolución máxima de la conversión analógico-
digital, se deberá configurar la escala vertical a la sensibilidad más
alta posible. Sin embargo, los ADC del canal de entrada tienen un
rango lineal de 10,24 divisiones (± 5,12 divisiones desde la línea
central de la pantalla, o 1,12 divisiones por encima y debajo de la
parte superior e inferior de la pantalla respectivamente). Para evitar
la saturación, la presentación de las formas de onda en el modo de
detección de picos deberá permanecer dentro de estos límites.
5. Seleccione el menú “Horizontal” y defina “Sample Rate” con un valor
que sea suficientemente menor que la frecuencia de conmutación
y mucho mayor que la frecuencia (100 ó 120 Hz) del rizado de rectifi-
cación (ver Figura 14).
6. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res” (ver Figura 15).
7. Configure el disparo como “Auto Trigger” y pulse las teclas de
pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente) en el panel frontal
del osciloscopio.
8. Si se desea, se puede magnificar ahora la forma de onda para su
examen utilizando la función “zoom”.
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En las Figuras 14 a 17, la forma de onda superior (Canal 2, traza azul)
es la tensión del rizado de salida del convertidor con acoplo de CA a
100 mV por división. El Canal 1 (traza amarilla) es la forma de onda de la
corriente de entrada a 1 A por división a 60 Hz. La Figura 14 muestra los
resultados obtenidos utilizando el modo de detección de picos y la Figura
15 ilustra las mismas formas de onda capturadas en el modo alta
resolución. Las Figuras 16 y 17 muestran las mismas formas de onda
capturadas en los modos de muestreo y de promediado, respectivamente.
La Figura 18 muestra la utilización de la función de magnificación para
realzar los detalles de la forma de onda en alta resolución. La frecuencia
de conmutación del convertidor es de aproximadamente 60 kHz.
Medidas electrónicas de potenciaSeparación del rizado de conmutación del rizado de línea
Nota de aplicación
Figura 13. Configuración de la adquisición horizontal.Figura 12. Configuración del modo de detección de picos.
Figura 15. Modo de alta resolución. Canal 1 (traza amarilla): corriente delínea de entrada, 1 A/div a 60 Hz. Canal 2 (traza azul): rizado de la tensión de salida, 100 mV/div.
Figura 14. Modo de detección de picos. Canal 1 (traza amarilla): corrientede línea de entrada, 1 A/div a 60 Hz. Canal 2 (traza azul): rizado de la tensión de salida, 100 mV/div. Tenga en cuenta que la traza azul se haajustado para mostrar el máximo rizado de salida en la pantalla sin saturarel osciloscopio.
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Medidas electrónicas de potenciaSeparación del rizado de conmutación del rizado de línea
Nota de aplicación
El rizado de conmutación de 60 kHz se puede eliminar mediante el pro-
mediado porque el osciloscopio proporciona capacidades de filtrado de
señal por debajo del ancho de banda tradicional de 20 MHz. El filtrado
obtenido por la adquisición en alta resolución está determinado por la
velocidad de muestreo. En este ejemplo, la velocidad de muestreo de
5 kS/s no es adecuada para adquirir un ruido de conmutación de 60 kHz,
pero es más que suficientemente rápida para la adquisición de los
120 Hz del componente de rizado de línea. El proceso de promediado
del modo de alta resolución filtra en paso bajo de forma eficiente
los armónicos de la señal, eliminando de esta forma el rizado de con-
mutación. Se deberá elegir adecuadamente la velocidad de muestreo
para filtrar el rizado de conmutación a la vez que se retienen los armóni-
cos significativos de la frecuencia de la línea de CA.
Figura 17. Modo promediado. Canal 1 (traza amarilla): corriente de línea deentrada, 1 A/div a 60 Hz. Canal 2 (traza azul): rizado de la tensión de salida,100 mV/div.
Figura 16. Modo de muestreo. Canal 1 (traza amarilla): corriente de líneade entrada, 1 A/div a 60 Hz. Canal 2 (traza azul): rizado de la tensión desalida, 100 mV/div.
Figura 18. Ampliación de los 120 Hz del rizado de la tensión de salida utilizando la función de magnificación (zoom).
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Medida de potencia media e instantánea en transiciones de conmutación
En un convertidor de conmutación, las pérdidas de conducción están
inducidas en el transistor de potencia cuando la corriente fluye a través de
su estado de conducción durante la caída de tensión. Durante las transi-
ciones de conmutación alto/bajo, se pueden observar grandes corrientes y
tensiones instantáneas en el transistor de potencia, lo que conlleva pérdi-
das de conmutación. Entre las causas típicas de pérdidas de conmutación
se incluyen la recuperación inversa del diodo y capacitancia drenador-
fuente del MOSFET. Incluso, aunque los tiempos de conmutación del
transistor sean cortos, las pérdidas de potencia media inducidas por la
conmutación pueden resultar significativas.
Tradicionalmente, ésta es una medida muy difícil de realizar por medios
eléctricos debido a la complejidad de las formas de onda de la tensión y
de la corriente durante las transiciones de conmutación y debido a los
grandes cambios en la tensión del transistor durante sus estados alto y
bajo. Se pueden medir las pérdidas totales del MOSFET utilizando métodos
térmicos, pero éstos pueden presentar dificultades mecánicas y de precisión.
La capacidad de efectuar una medida precisa de las pérdidas medias
con métodos eléctricos en un transistor en conmutación, proporciona una
herramienta útil y fundamental al ingeniero de diseño.
La potencia media disipada por un MOSFET viene dada por:
P = 1 T
S vDS (t ) iD (t )dtTs ∫
0
(3)
donde vDS(t) es la tensión drenador-fuente, iD(t )es la corriente de drenaje
y TS es el período de conmutación. Esta cantidad puede ser calculada
multiplicando primeramente las formas de onda de la tensión y de la
corriente para averiguar la potencia instantánea:
p(t ) = VDS (t ) iD (t ) (4)
La integración de la potencia instantánea p(t) da como resultado la
energía W(t) consumida por el MOSFET:
W (t ) = t
vDS (t ) iD (t )dt∫0
(5)
Se pueden utilizar las funciones de integración y multiplicación de los
osciloscopios de la serie TDS7000 para evaluar las Ecuaciones 3 a
5 anteriores. Las pérdidas de potencia media vienen dadas por:
P = W (Ts ) - W (0)
Ts(6)
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas y la
sonda diferencial de alta tensión P5205 se deberá ajustar a cero.
1. Conecte la sonda de tensión P5205 para medir la tensión drenador-
fuente del MOSFET.
2. Conecte la sonda de corriente TCP202 para medir la corriente en el
drenador del dispositivo.
3. En el menú “Math” (ver Figura 19), seleccione la función de multipli-
cación “Ch1*Ch2” como la función M1 “Math 1”.
4. En el menú “Math”, seleccione “Equation Editor”. En el editor de ecua-
ciones, seleccione “Integral” y después “Math” y seleccione “Math 1”.
5. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
6. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”.
7. Ajuste convenientemente la longitud de registro para mostrar un ciclo
del período de conmutación.
Medidas electrónicas de potenciaPotencia media e instantánea en transiciones de conmutación
Nota de aplicación
Figura 19. Aplicación de las matemáticas de forma de onda.
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Medidas electrónicas de potenciaPotencia media e instantánea en transiciones de conmutación
Nota de aplicación
8. Configure el modo disparo como “Single Trigger” en modo “Normal”
y pulse las teclas de pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente)
en el panel frontal del osciloscopio.
9. Seleccione “Apply”.
La Figura 20 ilustra las formas de onda obtenidas utilizando el procedi-
miento anterior. Las medidas están realizadas en un convertidor
“push-pull” de CC-CC controlado por modo de corriente y con una
frecuencia de conmutación de 60 kHz. El Canal 1 (traza amarilla)
muestra la corriente del drenador a 4 A por división y el Canal 2
(traza azul) muestra la tensión drenador-fuente a 20 V por división.
La forma de onda M1 (traza roja) son las pérdidas instantáneas de poten-
cia p(t) dadas por la Ecuación 4. Las pérdidas instantáneas de potencia
son cero mientras el MOSFET está en corte, puesto que la corriente del
drenador es cero. Durante las transiciones de conmutación se observan
picos en p(t) que representan las pérdidas de conmutación. Mientras que
el transistor está conduciendo, las pérdidas de conducción se observan
en p(t).
La forma de onda M2 (traza roja) son las pérdidas de energía dadas por
la Ecuación 5. La pantalla indica que la escala vertical en esta traza es
de 50 microvatios-segundo (50 µJ) por división. Durante las transiciones
de conmutación y el tiempo de conducción, la traza M2 aumenta un total
de 1 división o 50 µJ. Por tanto, las pérdidas totales en el MOSFET
(pérdidas de conmutación más pérdidas de conducción) vienen dadas
por la Ecuación 7 como: :
P = (50 µJ) (60 kHz) = 3W (7)
Se pueden calcular las pérdidas de conmutación por separado de una forma
similar, utilizando los cursores para determinar el cambio que ocurre en la
traza M2 durante las transiciones de conmutación y después dividir este
resultado por el período de conmutación Ts.
Es importante poner a cero las sondas antes de efectuar cualquier medida
debido a que pequeñas derivas de CC pueden conducir a errores en la
integración. Mientras que el transistor está en corte, la traza M2 deberá
permanecer constante. Ver en la sección titulada “Medidas de pérdidas del
transistor en un convertidor de impulsos PFC ” algunos comentarios más
detallados sobre esta técnica y sus limitaciones.
Figura 20. Formas de onda medidas en el transistor de conmutación.Canal 1 (traza amarilla): corriente en el drenador MOSFET. Canal 2 (trazaazul): tensión drenador-fuente del MOSFET. Traza “Math 1” (en rojo): disi-pación instantánea de potencia calculada al multiplicar los Canales 1 y 2.Traza “Math 2” (en rojo): energía consumida por el MOSFET calculada por la integración de la traza “Math 1”.
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Medidas de pérdidas del transistoren un convertidor de impulsos PFC
La medida de pérdidas de conducción y de conmutación en convertidores
conmutados ha sido tradicionalmente muy compleja. Durante las transi-
ciones de conmutación, se aplican al transistor elevadas tensiones y
corrientes de forma instantánea, lo que puede llevar a pérdidas significa-
tivas de energía. La medida de estas pérdidas requiere la integración y
multiplicación de las formas de onda de las tensiones y corrientes
instantáneas. Adicionalmente, las pérdidas de conducción ocurren durante
el tiempo de conducción del transistor, que es igual a la caída de tensión
directa multiplicada por la corriente en estado de conducción. De aquí
que sea necesario multiplicar la tensión y la corriente instantáneas en el
transistor e integrar la forma de onda de potencia instantánea resultante
a lo largo del período de conmutación (según se describe en las
Ecuaciones 3 a 7; ver la sección titulada “Medida de potencia media e
instantánea en transiciones de conmutación”). La división por el período
de conmutación dará como resultado las pérdidas de potencia media.
Los rectificadores de factor de potencia corregido, tales como el bien
conocido convertidor de impulsos PFC, controlan sus formas de onda de
entrada de corriente para seguir a la tensión aplicada en la línea de CA.
En estos convertidores, el factor de trabajo de la conmutación varía típi-
camente a lo largo del ciclo de la línea de CA. Los cálculos de pérdidas
en estos convertidores se complican además por el hecho de que las
pérdidas varían a lo largo del ciclo de la línea de CA. Para calcular el
promedio de pérdidas en el transistor es necesaria la integración durante
la mitad de un período de línea (8,33 milisegundos en un sistema a
60 Hz) y a la vez integrar con precisión la potencia instantánea durante
las rápidas transiciones (decenas de nanosegundos) de conmutación.
La elevada velocidad de muestreo, gran longitud de registro, adquisición
en alta resolución, funciones matemáticas integradas y la función de
magnificación de la serie TDS7000, convierten estos instrumentos en
herramientas excelentes para este tipo de medidas. Estos osciloscopios
se pueden utilizar para medir las pérdidas de conmutación y conducción
del MOSFET en un convertidor de impulsos PFC, pudiéndose utilizar su
función de acotamiento para incrementar la precisión de las medidas con
sondas de corriente CC.
Configuración
Antes de realizar cualquier medida, se deberá calibrar la sonda de
corriente TCP202 utilizando el accesorio de calibración de sondas y
la sonda diferencial de alta tensión P5205 se deberá ajustar a cero.
1. Conecte la sonda de tensión P5205 para medir la tensión drenador-
fuente del MOSFET. Ajuste la escala vertical de forma que la traza
ocupe la pantalla completa.
2. Conecte la sonda de corriente TCP202-1 para medir la corriente
del drenador del dispositivo. Ajuste las escalas horizontales de forma
que la traza ocupe la pantalla completa.
3. Conecte la sonda de corriente TCP202-2 para medir la corriente de
la línea de entrada.
4. Ajuste convenientemente la longitud de registro para capturar medio
ciclo de la corriente de línea de entrada en la pantalla del osciloscopio.
5. Configure el disparo como “Single Trigger” y pulse las teclas de
pendiente “EDGE” y “POS” (flanco ascendente) en el panel frontal
del osciloscopio.
6. En el menú “Horiz/Acq”, seleccione “Horizontal/Acquisition”.
7. Seleccione “Horizontal” y defina “Sample Rate” tan elevada como
sea posible.
8. Seleccione “Acquisition” y defínalo como “Hi Res”.
9. En el menú “Math”, seleccione “Equation Editor”. En el editor de
ecuaciones, seleccione “Math 2” (ver Figura 21).
10. En el menú del editor de ecuaciones, seleccione “Integral” y después
introduzca la siguiente expresión lógica:
INTG((((ch1)>(0,15))+((ch1)<(-0,15)))*(ch1)*(ch3))
11. Seleccione “Apply”.
Medidas electrónicas de potenciaPérdidas del transistor en un convertidor de impulsos PFC
Nota de aplicación
Figura 21. Aplicación de las matemáticas de forma de onda y creación de la función lógica.
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Medidas electrónicas de potenciaPérdidas del transistor en un convertidor de impulsos PFC
Nota de aplicación
La Figura 22 ilustra la medida de un convertidor de impulsos PFC para
una tensión de línea de CA de 150 VRMS. La salida de CC es de 75 W a
255 V y se han ajustado las escalas verticales para visualizar fácilmente
las formas de onda. El Canal 1 (traza amarilla) es la corriente del drenador
del MOSFET a 2 A por división, el Canal 2 (traza azul) es la corriente
de línea de entrada a 1 A por división y el Canal 3 (traza púrpura) es la
tensión drenador-fuente a 200 V por división. La velocidad de muestreo
seleccionada es lo suficientemente elevada (125 MS/s) como para
capturar con precisión las pérdidas de conmutación.
La Figura 23 ilustra la medida en un punto de operación de 150 VRMS.
La energía total perdida en el transistor durante medio ciclo de la línea
de entrada medida con los cursores es de 12,06 mJ. La multiplicación
por el período de 8,33 ms arroja unas pérdidas de potencia de 1,44 W. De
forma similar, la Figura 24 ilustra la medida para una tensión de entrada
de 110 VRMS, donde las pérdidas de energía medidas durante medio
ciclo de la línea de entrada son de 14,6 mJ. Las pérdidas de potencia
media es de 1,75 W. Estos resultados tienen correlación con las expectati-
vas teóricas.
Optimización de la precisión
Para obtener mediciones de las pérdidas totales del transistor con una
precisión aceptable, se deberán capturar las formas de onda de tensión y
de corriente del transistor con una elevada precisión. Primero, se deberá
procurar que el osciloscopio y las sondas se hayan precalentado durante
unos veinte minutos antes de efectuar las mediciones para posteriormente
calibrar las sondas con el accesorio de calibración. Segundo, es importante
que la sonda de corriente sea ajustada con precisión para conseguir una
deriva cero en la forma de onda de la corriente a medir. Se puede utilizar
una función de acotamiento (gate) para mitigar el problema de la deriva.
Tercero, es importante configurar la medida de la tensión del transistor
para que se pueda medir con precisión la caída de tensión directa en
conducción. Estas cuestiones se comentan en detalle a continuación.
Tradicionalmente, ha sido muy difícil cancelar con precisión la deriva de
CC en una sonda de corriente. A pesar de que el accesorio de calibración
simplifica considerablemente este procedimiento, todavía quedará una
pequeña deriva después de haber desconectado la sonda del accesorio
de prueba y haberla conectado al convertidor. Esta pequeña deriva con-
duce a la obtención de pérdidas de potencia mientras que el transistor
está en corte; aunque la corriente de corte del transistor es exactamente
cero, la deriva causa una obtención de pérdidas de potencia sustanciales
e iguales a la (elevada) tensión de corte multiplicado por esta (pequeña)
deriva de corriente.
Figura 22. Formas de onda capturadas durante medio ciclo de línea deentrada para una tensión de entrada de 150 VRMS. Canal 1 (traza amarilla):corriente del drenador del MOSFET, 2 A/div. Canal 2 (traza azul): corriente delínea de entrada, 1 A/div. Canal 3 (traza púrpura): tensión drenador-fuente delMOSFET, 200 V/div. Math 2 (traza roja): Pérdidas durante medio ciclo delínea, 2,33 mJ/div.
Figura 23. Medida precisa de la pérdida total de energía en el transistor,durante medio ciclo de la entrada de línea de CA para una tensión de entradaRMS de 110 V CA. Se han ajustado las escalas verticales de las formas de onda de la tensión y la corriente del transistor para que ocupen toda lapantalla. Se ha aplicado una función de acotación (gate) para poner a cero la medida de CC de la sonda de corriente. Se han utilizado los cursores horizontales para medir la pérdida neta de energía en el transistor durante el medio ciclo de la entrada de la línea de CA.
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Las capacidades matemáticas de la serie TDS7000 proporcionan una
solución para superar este problema. Se genera una función de acotación
lógica que es exactamente igual a cero mientras que el transistor está
totalmente en corte. Esta función de acotación es exactamente igual
a 1 durante las transiciones de conmutación y durante el tiempo de
conducción del transistor. La multiplicación de esta función de acotación
por la corriente medida, eliminará la deriva.
Se puede generar dicha función de acotación utilizando los operadores
comparativos del osciloscopio. Esta acotación es una expresión binaria
que devuelve un valor lógico 0 cuando una comparación es falsa y un
valor lógico 1 cuando la comparación es cierta. El resultado se puede
utilizar en otras expresiones y, en particular, puede ser multiplicado por
la forma de onda de la corriente. La sintaxis es:
<Expresión> := <Térm.> <OperadorComparativo> <Térm.> (8)
donde <Term.> puede ser una referencia a una forma de onda, tal
como Ch1, o puede ser otra expresión encerrada entre paréntesis.
<OperadorComparativo> es uno de los siguientes:
== Igual
=! No igual
> Mayor que
< Menor que
>= Mayor o igual que
<= Menor o igual que (9)
Además, se pueden utilizar los operadores “+” y “*” para implementar
las funciones lógicas OR y AND. Por ejemplo, si A y B son variables que
tienen un valor de 0 ó 1, entonces A*B implementa la función lógica
AND. La expresión ((A+B) > 0,9) implementa la función lógica OR.
Por ejemplo, si el circuito del controlador contiene una forma de onda
grande (mayor que 3 V) mientras que el transistor está en corte, y
pequeña (menor que 1 V) durante las transiciones de conmutación y
durante el tiempo de conducción del transistor, entonces se podría
adquirir esta señal utilizando el Canal 4 y se podría generar una señal
de acotación adecuada utilizando la siguiente expresión matemática:
Ch4 < 2 (10)
Esta comparación se hace punto a punto de la forma de onda y genera un
resultado también punto a punto. Supongamos que la corriente se adquiere
por el Canal 2. La multiplicación del Canal 2 por la función de acotación
antes mencionada se consigue por la siguiente expresión:
(Ch4 < 2)*Ch2 (11)
El resultado sigue a la corriente medida durante los tiempos de con-
mutación y de conducción del transistor y es exactamente igual a cero
durante el tiempo de corte. Esta técnica mejora considerablemente la
precisión del promediado de medidas de potencia en aplicaciones de
modos conmutados.
Medidas electrónicas de potenciaPérdidas del transistor en un convertidor de impulsos PFC
Nota de aplicación
Figura 24. Medida precisa de la energía total perdida en el transistor durantemedio ciclo de la línea de CA de entrada, para una tensión de entrada de CAde 150 VRMS. Las escalas verticales de las formas de onda de la tensión y lacorriente del transistor se han ajustado para que ocupen toda la pantalla, seha aplicado una función de acotación para poner a cero la medida de lasonda de corriente continua (CC) y se han utilizado cursores horizontalespara medir la pérdida neta de energía en el transistor durante el medio ciclode la línea de CA de entrada.
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Medidas electrónicas de potenciaPérdidas del transistor en un convertidor de impulsos PFC
Nota de aplicación
Cuando no existe una señal adecuada dentro del circuito del controlador,
todavía es posible aplicar la técnica antes citada utilizando solamente la
forma de onda de la corriente medida y multiplicando la forma de onda
de la corriente del transistor por una función de acotación que sea igual
a 0 cuando la corriente en sí está próxima a 0. Esta técnica introduce de
forma efectiva una banda muerta en la medida de la corriente. Se elige
un umbral que sea algo mayor que la deriva máxima de la sonda de co-
rriente, pero por otra parte tan pequeño como sea posible. Una expresión
que logra esta utilización de una banda muerta de 0,15 A, con la
corriente adquirida en el Canal 2, es:
(Ch2)*((Ch2>0,15)+(Ch2<(-0,15))) (12)
Esta técnica se utiliza en las medidas de las Figuras 21 a 24. Tenga en
cuenta que cuando se utilizan los operadores comparativos, el oscilosco-
pio presenta las unidades de la forma de onda como indefinidas (?).
Otro problema tradicional cuando se intenta medir las pérdidas de
conducción de un transistor en un convertidor de conmutación, es la
precisión de la medida de la tensión del transistor. Primero se deberá
ajustar la escala vertical para que no se saturen ni el amplificador de
entrada ni el convertidor analógico-digital (ADC) mientras el transistor
está en corte. Luego, se deberá medir la pequeña caída de tensión
directa del transistor mientras éste se encuentra en conducción. Estos
problemas se pueden abordar con la serie TDS7000, ajustando la escala
vertical y utilizando el modo de alta resolución en la siguiente forma:
El ADC de cada canal del osciloscopio opera con una resolución de 8 bits
sin procesar. Cada división en la pantalla representa 25 niveles y 10,24
divisiones están situadas dentro del rango lineal del ADC (8 de estas
10,24 divisiones aparecen en pantalla). Por lo tanto, resulta altamente
beneficioso ajustar la escala vertical del canal utilizado para medir la
tensión del transistor de forma que la forma de onda ocupe toda la
pantalla. Naturalmente, se puede utilizar posteriormente la función de
magnificación para aumentar o disminuir el tamaño de la presentación
sin afectar la precisión de la medida.
La resolución de la adquisición se puede mejorar aún más con el modo
de alta resolución (Hi Res). Los ADC muestrean las formas de onda a la
velocidad de muestreo especificada por el osciloscopio (10 GS/s). El
modo de alta resolución puede operar a velocidades de muestreo de
hasta 2,5 GS/s. Cuando se opera en el modo de alta resolución con una
velocidad de muestreo seleccionada menor de 2,5 GS/s, se promediarán
las muestras extra, lo cual mejorará la resolución efectiva de adquisición.
Idealmente, la mejora de resolución viene dada por:
Bits de resolución mejorada = 0,5 log2(N ) (13)
donde N es el número de promediados. Se obtiene una resolución efectiva
de diez bits cuando se utilizan dieciséis promediados, es decir, cuando la
velocidad de muestreo seleccionada es de (2.5 GS/s)/16 = 156 MS/s.
Una resolución efectiva de doce bits necesitará 10 MS/s y la resolución
máxima permisible está limitada a 16 bits por la arquitectura del hardware.
El número de niveles efectivos es
256 N (14)
Por lo tanto, deberemos definir el intervalo de muestreo horizontal (tiempo
entre puntos) para que sea tan largo como sea posible sin comprometer
la adquisición de las transiciones de conmutación ni la medida de las
pérdidas de conmutación. A 8 ns/punto, la velocidad de muestreo de
la forma de onda se establece a 125 MS/s y dentro de cada punto de la
forma de onda almacenada se promedian (2,5 GS/s)/(125 MS/s) = 20
muestras, produciendo una resolución efectiva ligeramente superior a
10 bits. Si la escala vertical está definida para que la tensión a medir en
la forma de onda sea tan grande como sea posible sin llegar a la
saturación del ADC (o sea, 10,24 divisiones), la Ecuación 14 indica que
la tensión será digitalizado en 1.145 niveles. En una forma de onda de
400 V pico a pico, estos niveles corresponden a una resolución de
0,35 V. Se podría mejorar la resolución aumentando el número de
promediados por punto; a 40 ns/punto se obtendría una resolución
de 0,15 V.
Se debe tener en cuenta que, debido a la relación asíncrona entre la
señal a medir y el reloj de muestreo, el proceso de promediado introduce
una caída de amplitud adicional a la caída inherente del amplificador en
función de la frecuencia.
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Conclusión
Algunos osciloscopios de altas prestaciones en tiempo real, tales como
los de la serie TDS7000, permiten realizar medidas y análisis de formas
de onda en dispositivos electrónicos de potencia, mediante técnicas que
tradicionalmente no han resultado prácticas. Su gran longitud de registro
se puede aplicar para la captura, presentación y almacenamiento de
detalles en las transiciones de la señal que duran muchos milisegundos.
Sus potentes características matemáticas integradas permiten realizar
complejos cálculos, tales como las pérdidas de potencia media o instan-
tánea, o el espectro de armónicos. Algunos de estos instrumentos, como
la serie TDS7000, disponen también de un sistema de PC integrado y
basado en Windows, que simplifica la transferencia de datos desde el
osciloscopio a un PC para su posterior procesamiento y análisis. Tanto si
se trata de capturar y analizar formas de onda flotantes de control de
puerta, de medir pérdidas del transistor en un convertidor de impulsos
PFC, o de realizar una serie completa de diversas medidas electrónicas
de potencia, el osciloscopio de altas prestaciones en tiempo real resulta
una herramienta ideal para solucionar sus problemas de medida.
Escrito por:
Robert Erickson
Universidad de Colorado en Boulder
Aditya Sathe
Universidad de Colorado en Boulder
Dragan Maksimovic
Universidad de Colorado en Boulder
Medidas electrónicas de potenciaConclusión
Nota de aplicación
www.tektronix.com/oscilloscopes 23
Medidas electrónicas de potencia Nota de aplicación
Medidas electrónicas de potenciaNota de aplicación
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Updated 20 September 2002
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Osciloscopios de fósforo digital
de la serie TDS7000
La osciloscopios de la serie TDS7000,
con anchos de banda desde 500 MHz
hasta 4 GHz y hasta 20GS/s de veloci-
dad de muestreo en tiempo real, son
osciloscopios en tiempo real de altas
prestaciones para la verificación,
depuración y caracterización de
sofisticados diseños electrónicos.
Sistema integrado de herramientas para medidas de potencia
Sondas activas, diferenciales, pasivas
y de corriente
Una sonda fiable es una parte integral de
su sistema de medida porque incluso el
osciloscopio más avanzado solamente
puede ser tan preciso como lo sean los
datos que adquiere. Tektronix ofrece una
amplia selección de sondas y dispositivos
que permiten capturar señales flotantes,
de corriente y alta tensión con precisión,
todo ello convertido en entradas de tensión
aceptables para su osciloscopio.