Автоматизированный стенд для измерения параметров источников электропитания

Целью данной работы является разработка автоматизированного стенда для измерения ключевых характеристик источников электропитания, включающего диагностику и анализ их параметров и зависимостей. Основные задачи стенда включают измерение номинальных значений выходного напряжения и тока, построение нагрузочных характеристик, определение КПД (коэффициент полезного действия), а также расчет коэффициентов нестабильности по напряжению и току, коэффициента пульсаций и степени сглаживания пульсаций.

Актуальность данной работы обусловлена отсутствием аналогичных решений на рынке, способных проводить столь широкий спектр измерений с высоким уровнем точности и при этом остающихся экономически более выгодными по сравнению с существующими промышленными аналогами. Созданный стенд не только обеспечивает измерение параметров, которые ранее не учитывались в других системах, но и отличается меньшей стоимостью, что делает его доступным для широкого круга пользователей.

Для решения поставленной задачи была разработана микропроцессорная система, интегрированная с персональным компьютером. Измерительные каналы системы состоят из высокочувствительных датчиков тока, фильтров высоких частот, блоков масштабирования и аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обработка данных, вычисление необходимых параметров и их визуализация выполняются микропроцессорной системой, для которой было разработано специализированное программное обеспечение.

Основные параметры источников электропитания:

- номинальное выходное напряжение и ток;

- нагрузочные характеристики – зависимость выходного тока от изменения сопротивления нагрузки;

- коэффициент нестабильности по напряжению – это отношение относительного изменения выходного напряжения ∆UH/UH к вызвавшему его изменению входного напряжения ∆Uп/Uп:

(1)

- коэффициент нестабильности по току – это отношение относительного изменения напряжения на нагрузке ∆UН/UН к вызвавшему его относительному изменению тока нагрузки ∆IН/IН:

(2)

- коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения:

(3)

- коэффициент сглаживания пульсаций – это отношение амплитудного значения пульсаций входного напряжения U~вх/Uвх , к амплитудному значению пульсаций выходного напряжения U~вых/Uвых:

(4)

- коэффициент полезного действия – это отношение мощности, отдаваемой в нагрузку PH, к мощности Рпот, потребляемой от первичного источника питания:

(5)

Автоматизированный стенд для измерения параметров источников электропитания предназначен для точного контроля и анализа входных и выходных значений тока и напряжения. В основе работы стенда лежит микропроцессорная система, обеспечивающая расчёт и анализ этих параметров, а также выявление их корреляций. Данный стенд позволяет эффективно проводить регулярное техническое обслуживание и ремонт блоков питания, что значительно упрощает процессы диагностики и восстановления их функциональности.

Конструкция стенда объединяет программные и аппаратные компоненты, что позволяет осуществлять полный контроль над подключёнными устройствами в ходе испытаний. Использование виртуальных приборов позволяет автоматизировать процесс тестирования, освобождая оператора от необходимости вручную переключать каналы измерения (эту функцию выполняет блок коммутации), изменять параметры источника питания (в случае использования программируемого источника) или устанавливать значения генератора. Все действия, включая управление выходом ЦАП (цифро-аналоговый преобразователь), запись результатов измерений в журнал испытаний, а также выбор настроек измерителя и времени измерений, выполняются автоматически в соответствии с условиями испытаний.

Измерение номинальных значений выходного напряжения и тока производится с использованием вольтметра и амперметра, соответственно. Для оценки нестабильности выходного напряжения применяется вольтметр, фиксирующий изменения при варьировании входного напряжения. Аналогично, измерение нестабильности выходного тока осуществляется с помощью амперметра при изменении сопротивления нагрузки. Такой подход обеспечивает высокую точность и надёжность измерений, что делает стенд незаменимым инструментом в работе с источниками электропитания.

Далее проведем обзор существующих стендов.

В работе

Параметры обследования:

- нагрузочные и регулирующие характеристики;

- пульсации выходного напряжения;

- реакция микросхемы на ступенчатое отключение нагрузки;

- изучение алгоритма работы микросхемы накачки заряда.

На рисунке 1 показана структурная схема, представленного в

[1]

, вместе с измерительным оборудованием. На стенде, помимо схемы накачки, можно регулировать и измерять входные и выходные параметры, включая индикацию присутствия и подключение к компьютеру. Система содержит несколько модулей в одном корпусе: модуль питания, модуль управления, модуль ввода, модуль подкачки заряда, модуль загрузки и модуль USB для связи с компьютером. Эта схема позволяет изучать разные типы микросхем, просто заменяя небольшую измерительную плату. Модуль управления построен на базе микроконтроллера PIC18F2550

[2]

, который управляет основными модулями системы и следит за их состоянием.

Рисунок 1 - Структурная схема экспериментального стенда

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.1

В работе

[3]

показана система автоматического измерения параметров блоков питания. Этот стенд используется для тестирования практически любого модуля, в том числе AC/DC и DC/DC, без изменения самой программы. Эта система позволяет заменить ручное тестирование многоканальных источников питания автоматизированными измерениями. Разработанная система работает в двух режимах: автоматическом и ручном.

Набор тестов (проверок), которые может выполнять данная система:

- выходное напряжение;

- полная нестабилен;

- работа при низком напряжении;

- пусковая защита от перегрузки и короткого замыкания;

- время включения;

- контроль выходного напряжения.

В работе

Автоматизированная система тестирования PV-инверторов предлагает:

- проверку выходных характеристик испытуемого технического средства (ИТС);

- проверку входных параметров ИТС;

- проверку временных и переходных параметров при срабатывании защиты.

В работе

Передняя панель программного обеспечения на экране ПК используется для ввода исходных данных, режимов работы и отображения результатов в табличном и графическом виде. На основе сигнала измерения, расчета параметров и формального анализа должен быть получен контрольный результат (исправен/неисправен). При возникновении ошибки указывается причина и отклонение параметров сигнала от эталона.

На рисунке 2 представлена блок-схема автоматизированной системы диагностики.

Рисунок 2 - Структурная схема автоматизированной системы диагностики

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.2

Для разработки программного обеспечения диагностической системы была выбрана среда LabVIEW

[6]

.

В работе

Система автоматизации для одновременного управления набором параметров регулятора напряжения и DC/DC преобразователя при радиационном испытании построена на базе стандартного оборудования PXI компании National Instruments.

Данная работа предполагает создание автоматизированной системы одновременного контроля комплекса параметров СН и/или ПН при радиационных испытаниях на таких установках, как линейные ускорители электронов, изотопные источники и т.д.

Комплекс автоматизации имеет модульные устройства стандарта PXI (например, National Instruments). Программная часть создана в среде программирования NI LabVIEW 8.6

На рисунке 3 представлена структурная схема программно-аппаратного комплекса, используемого для тестирования микросхемы.

Рисунок 3 - Структурная схема аппаратно-программного комплекса для испытаний микросхем:

1 – источник воздействия; 2 – плата с испытываемыми образцами; 3 – блок управляемых нагрузок; 4 – измерительный блок; 5 – персональный компьютер

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.3

Анализ литературных источников выявил, что автоматизированные стенды для измерения параметров источников электропитания делятся на промышленные и лабораторные. Промышленные стенды, несмотря на их высокую точность и функциональность, имеют существенный недостаток – высокую стоимость, что ограничивает их применение в ряде случаев.

Разработка автоматизированных стендов для измерения параметров источников электропитания является актуальной задачей, поскольку такие источники широко применяются во всех электронных устройствах, обеспечивая их стабильное функционирование. Для эффективного выполнения поставленных задач, автоматизированный стенд должен обеспечивать измерение входных и выходных токов и напряжений, а также автоматическое создание отчетов о проведённых измерениях и тестах. Это значительно упрощает процесс анализа и документирования, что особенно важно в условиях интенсивной эксплуатации оборудования.

Одним из ключевых этапов разработки автоматизированного стенда является выбор подходящей архитектуры измерительной системы, а также разработка соответствующих аппаратных и программных компонентов, которые гарантируют высокую точность и надежность измерений. Однако одной из существенных проблем, отмеченных в предыдущих исследованиях, является использование устаревшего COM-порта

На рисунке 4 представлена структурная схема стенда измерения параметров источников электропитания: ПИП – первичный источник питания, ИВЭП – источник вторичного электропитания, R1 – изменяемая нагрузка.

Рисунок 4 - Структурная схема стенда измерения параметров источников электропитания

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.4

Метод измерения параметров заключается в следующем. Измерительные каналы построены на вольтметрах и амперметрах. Стенд содержит 6 измерительных каналов. ПИП преобразует переменное напряжение сети в постоянное напряжение для ИВЭП. Амперметр pA1 измеряет входной ток. Вольтметр pV1 измеряет постоянное напряжение на входе ИВЭП. Вольтметр pV2 измеряет переменную составляющую входного напряжения. При изменении сопротивления нагрузки R1 измеряются выходной ток с помощью pA2 и выходные постоянное напряжение вольтметром pV3 и переменная составляющая вольтметром pV4. На основании измеренных параметров вычисляются нужные параметры и зависимости. Недостатком данного стенда является то, что изменение сопротивления нагрузки, снятие показаний приборов, вычисление параметров и зависимостей осуществляется вручную. Преимуществом этой схемы является простота реализации.

На рисунке 5 показана функциональная схема автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания.

Рисунок 5 - Функциональная схема автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания:

ПИП – программируемый источник питания; МК – микроконтроллер; БМ – блок масштабирования; ПК – персональный компьютер; ФВЧ – фильтр высокой частоты; Клав – клавиатура; Дисп – дисплей

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.5

В функциональной схеме на рисунке 5 в измерительные каналы добавлены БМ для того, чтобы входной сигнал для АЦП измерялся в полной шкале и ФВЧ для измерения переменной составляющей напряжения. БН управляется аналоговым напряжением с помощью ЦАП. Для работы с интерфейсами USB в схему добавлены преобразователи интерфейса из UART в USB. ПИП формирует входное напряжение с пульсациями для ИВЭП. ПИП управляется с помощью МК интерфейсом USB. Передача данных с измерительных каналов передается в МК, в котором написано программное обеспечение для стенда. Обработка и вычисления осуществляется в МК. Заносятся исходные данные и выбираются параметров с помощью клавиатуры. Информация отображается на дисплее. Также в схеме предусмотрена связь с ПК через интерфейс USB

[9]

.

Системные параметры были рассчитаны на основании функциональной схемы, которая приведена на рисунке 4. По заданию погрешность ε0 измерительных каналов не должна превышать 0,5%.

Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения постоянной составляющей напряжения состоит из блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением:  при этом .

Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%.

Найдем погрешность АЦП:

(6)

(7)

Разрядность АЦП составит m=8

Погрешность АЦП:

(8)

Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения переменной составляющей напряжения состоит из ФВЧ, блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением (где ε∑≤ε0):

(9)

Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%, а ФВЧ равную 0,1%.

Найдем погрешность АЦП:

(10)

(11)

Разрядность АЦП составит m=8.

Погрешность АЦП:

(12)

Суммарная среднеквадратическая погрешность канала измерения тока состоит из датчика тока, блока масштабирования и АЦП, оценивается выражением (где ε∑≤ε0):

(13)

Изначально примем погрешность БМ равную 0,2%, а ДТ равную 0,45%.

Найдем погрешность АЦП:

(14)

(15)

Разрядность АЦП составит m=12.

Погрешность АЦП:

(16)

Частота дискретизации АЦП всех каналов выбрана в 10 раз больше, чем частоты пятой гармоники сетевого напряжения.

(17)

Время преобразования АЦП:

(18)

При проведении моделирования пользовались схемотехнической среды для моделирования и анализа схем аналоговой, цифровой и силовой электроники Multisim

Измерительный канал состоит из блока масштабирования (БМ), который реализован на двух операционных усилителях и 8-ми битном АЦП.

Измерительный канал измеряет входное и выходное напряжение стабилизатора. Входное напряжение стабилизатора равно 24 В с пульсациями ±100 мВ частотой 100 Гц. Выходное напряжение стабилизатора равно 12 В с пульсациями ±5 мВ частотой 100 Гц.

Частота дискретизации АЦП выбрана в 10 раз больше измеряемого сигнала, т.е. 1000 Гц.

Минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП:

(19)

Схема измерительного канала измерения напряжения представлена на рисунке 6. Для моделирования напряжения с пульсациями от стабилизатора в программе использован функциональный генератор, включенный последовательно с батареей. Функциональный генератор генерирует синусоидальный сигнал, тем самым моделируя пульсацию. Батарея моделирует постоянную составляющую. Выход функционального генератора подключен к входу усилителя. Для измерения напряжения входы осциллографа подключены к выходу функционального генератора, другой канал осциллографа подключен к выходу ЦАП.

На рисунке 7 представлены осциллограммы сигналов: с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый). На этом рисунке видно, что из-за малого уровня переменной составляющей на фоне постоянной в первую очередь и недостаточной разрядности АЦП невозможно увидеть переменную составляющую сигнала, т.к. минимальное входное напряжение, разрешаемое АЦП равно 20 мВ.

Рисунок 6 - Схема измерительного канала измерения напряжения

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.6

Рисунок 7 - Осциллограммы сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый) при амплитуде пульсации 5 мВ

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.7

На вход измерительного канала подается постоянное напряжение для определения погрешности БМ (рис. 8).

Рисунок 8 - Схема измерительного канала измерения напряжения

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.8

Оценим погрешность БМ:

С учетом коэффициента передачи:

(20)

(21)

(22)

Погрешность АЦП определяется только его разрядностью, т.к. АЦП при моделировании идеализированный

(23)

Погрешность измерительного канала:

(24)

На рисунке 9 с увеличением амплитуды пульсации на выходе ЦАП видны пульсации, показаны зеленым цветом. Выходной сигнал с функционального генератора показан красным цветом.

Рисунок 9 - Осциллограммы сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый) при увеличении амплитуды пульсации до 80 мВ

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.9

На рисунке 10 показаны осциллограммы переменной составляющей сигналов с выхода функционального генератора (красный цвет), при закрытом входе осциллографа и с выхода ЦАП (зеленый цвет).

Рисунок 10 - Осциллограммы переменной составляющей сигналов с выхода функционального генератора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый)

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.10

Здесь в полной мере проявляется недостаточность разрешающей способности АЦП: только 4 уровня квантования на максимальную амплитуду.

Измерительный канал состоит из блока масштабирования БМ, который реализован на операционном усилителе и 8-ми битном АЦП. Схема канала измерения переменной составляющей напряжения представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 - Схема измерительного канала измерения переменной составляющей напряжения

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.11

Для измерения переменной составляющей сигнала амплитудой ±5мВ переменная составляющая отделяется от постоянной с помощью разделительного конденсатора перед масштабирующем блоком, построенном на операционном усилителе. Для того чтобы не использовать АЦП с более высокой разрядностью, применен усилитель входного сигнала. Усилитель имеет коэффициент усиления равный 960. Опорные напряжения АЦП и ЦАП равны ±5 В.

При моделировании схемы измерительного канала используются идеализированные элементы. Поэтому погрешность измерительного канала определяется только разрядностью 8-ми битного АЦП, которая равна:

(25)

На рисунке 12 красным цветом показан сигнал функционального генератора, который состоит из постоянной и переменной составляющей. Зеленным цветом показан сигнал с выхода ЦАП. Сигнал с выхода ЦАП является переменной составляющей.

Рисунок 12 - Осциллограммы с выхода функционального генератора (красный цвет) и с выхода ЦАП (зеленый зеленый)

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.12

На рисунке 13 красным цветом показан сигнал с выхода усилителя. Выходной сигнал с усилителя – это усиленная выделенная переменная составляющая. Зеленным цветом показан сигнал с выхода ЦАП.

Рисунок 13 - Осциллограммы сигнала с выхода усилителя (красный цвет) и с выхода ЦАП (зеленый цвет)

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.13

Измерительный канал состоит из резистивного датчика тока, блока масштабирования БМ, который реализован на операционном усилителе и 8-ми битном АЦП. Схема канала измерения тока изображена на рисунок 13.

Преобразование тока в напряжение реализовано на резистивном датчике тока и дифференциальном усилителе, построенном на операционном усилителе.

Рисунок 14 - Схема измерительного канала измерения тока

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.14

Первый канал осциллографа измеряет падение напряжения на токосъемном резисторе, второй канал подключен к выходу ЦАП.

На рисунке 14 красным цветом показан сигнал с токосъемного резистора. Зеленым цветом показан сигнал с выхода ЦАП.

Рисунок 15 - Осциллограммы сигналов с токосъемного резистора (красный) и с выхода ЦАП (зеленый)

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.15

Оценим погрешность измерительного канала.

Погрешность, вносимая токосъемным резистором, может быть оценена следующим образом:

(26)

Погрешность АЦП определяется только его разрядностью, т.к. АЦП при моделировании идеализированный, поэтому:

(27)

Тогда суммарная погрешность измерительного канала составит:

(28)

В нашем случае должно быть не менее 19 линий ввода-вывода. Это необходимо для включения всех периферийных устройств. Необходимо, чтобы микроконтроллер имел 6 каналов АЦП по 12 бит и один ЦАП. Для этих целей выбран микроконтроллер C8051F021. Для добавления интерфейса USB в различные приборы, построенные на базе микроконтроллеров и не имеющих интерфейса USB, а также для обновления уже существующих приборов, требующих перехода на современный интерфейс USB, выбран CP2102-GMR двунаправленные преобразователи интерфейсов UART <=> USB (мосты)

По принципу работы это – источник тока, управляемый напряжением (ИТУН) (рис. 15).

Рисунок 16 - Электрическая принципиальная схема блока нагрузок

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.70.16

В данной работе представлены результаты разработки автоматизированной системы измерения параметров источников электропитания. Произведен обзор аналогов. Сделан вывод обзора автоматизированных систем. Учтены их достоинства и недостатки. Построены структурная схемы стенда. На основании выбранной структурной схемы построена функциональная схема. Рассчитаны системные параметры функциональной схемы. Выявлена допустимая погрешность и разрядность АЦП. Выполнено моделирование измерительных каналов стенда измерения параметров источников электропитания и непрерывного компенсационного стабилизатора напряжения. На основании функциональной схемы построена принципиальная электрическая схема. Разработаны узлы принципиальной схемы. Максимальная результирующей погрешность измерительных каналов составила 0,4%. В качестве микропроцессорной системы выбран микроконтроллер C8051F021 с разрядностью АЦП равной 12.

Для дальнейшего развития работы по созданию автоматизированного стенда измерения параметров источников электропитания рекомендуется сосредоточиться на нескольких ключевых аспектах. Во-первых, необходимо совершенствовать архитектуру измерительной системы с целью повышения точности и надежности измерений. Это может быть достигнуто за счет использования более современных компонентных баз, таких как высокоточные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, а также оптимизации программного обеспечения для минимизации возможных погрешностей. Во-вторых, рекомендуется рассмотреть возможность расширения функционала стенда путем добавления новых модулей и возможностей, таких как диагностика дополнительных параметров источников питания или интеграция с системами автоматизированного тестирования. Это позволит сделать стенд более универсальным и востребованным в различных областях применения.

Также важным аспектом является улучшение пользовательского интерфейса

Наконец, для обеспечения конкурентоспособности и снижения затрат на производство стенда рекомендуется оптимизировать процесс разработки и производства аппаратных компонентов, а также рассмотреть возможность использования стандартных модульных решений, что позволит сократить время и расходы на разработку и производство стендов.