Analyzátory výkonu Newtons4th

V současné výrobě i vývoji vzniká častá potřeba měřit výkony a spotřebovanou energii s vysokou přesností i na zařízeních s nesinusovými průběhy, a ověřovat jejich účinnost takových zařízeních.

 Analyzátory výkonu společnosti Newtons4th (N4L) (Obr. 1) patří právě mezi takovéto přístroje. Nejde o pouhé wattmetry, ale o přesné a výkonné analytické nástroje, kterými je možné změřit elektrický výkon, účiník, harmonické zkreslení a mnoho dalších parametrů v reálném čase s vysokou přesností. Skládají z analogových vstupních obvodů, kterými se přivádí napěťový a proudový signál do přístroje. Digitální částí, kde dochází ke konverzi analogových signálů na digitální data v A/D převodníku s dostatečně přesným převodem a pracujícím na vhodné vzorkovací frekvenci. Dále jsou data uložena do paměti přístroje, kde jsou dále zpracována. Nedílnou součástí je intuitivní uživatelské rozhraním, jež umožňuje snadné ovládání přístroje a vhodné zobrazení dat a výsledků měření.

Jedna z hlavních výzev pro analogovou část přístroje je, jak získat vysokou přesnost při měření přes široký rozsah frekvencí. Proto je optimální návrh proudových a napěťových vstupů zásadní části celého analyzátoru. Frekvenční odezva napěťových vstupních kanálů je silně ovlivněna parazitní vstupní kapacitou.

Obrázek 1

Pro proudové vstupy, kde jsou použity bočníky o nízkém odporu, je frekvenční odezva významně ovlivňována parazitní induktancí. Z toho vyplývá, že vysokou přesnost v širokém pásmu frekvencí lze optimalizovat minimalizací parazitní kapacitance a induktance na napěťových a proudových vstupech. Pro precizní analyzátor výkonu je tedy zásadní zajistit nízkou induktanci na proudových vstupech, tedy proudových bočnících. Parazitní induktance proudového bočníku je především funkcí jeho geometrie. Vzhledem k tomu, že induktivní impedance roste s frekvencí, tak i chyba měření asociována parazitní induktancí s frekvencí roste také.

N4L pro své analyzátory výkonu řady PPA používá speciální planární bočníky vlastní konstrukce. Na rozdíl od konkurenčních řešení, kde se uplatňují jak jednoduché skládané odporové folie, axiální rezistory s paralelním vinutím, tak i na výrobu náročné, a tím i drahé koaxiální bočníky.

Možnost přesně měřit výkon v širokém frekvenčním rozsahu přináší možnost přesně vyhodnocovat účinnosti i systému využívajících nesinusové průběhy, například s šířkovou modulací a proměnnou frekvencí. Takový analyzátor je pak schopen vyhodnotit účinnost zařízení jak s výkonem miliwattů, tak i Megawattů.

Konstrukce planárních bočníků svojí geometrií dokáže snížit parazitní induktanci, a zajistit tak vyšší frekvenční rozsah, jak je patrné na obrázku 2.

Obrázek 2

Elektrický odpor bočníků samozřejmě ovlivňuje přesnost měření zásadně, a protože je to veličina závislá krom jiného na teplotě, je důležité teplotu kontrolovat, a redukovat zahřívání vlivem protékajícího proudu. Mechanická konstrukce planárního bočníku N4L omezuje vliv ohřívání za všech provozních podmínek. Vysoký poměr plochy k objemu poskytuje vynikající odvod tepla. Infračervený snímek planárního bočníku N4L na obrázku 3, ukazuje vynikajícího rozložení jeho teploty.

Obrázek 3: Rozložení teploty v planárním bočníku od 26.3 °C - 36.3 °C

Nicméně planární bočníky analyzátorů výkonu N4L jsou pouze jedním z inovativních přístupů, díky kterým tyto přístroje dosahují vynikajících parametrů. Neméně podstatný parametr je CMMR 150 dB přístrojů N4L, oproti standartně používaným 80 dB. 

Bez ohledu na to, jak rychle dokážeme signál vzorkovat, a jak vysoké je rozlišení digitalizovaného signálu, tak pokud informace předávané z analogové části signálového řetězce do části digitální jsou již zatížené šumem a zkreslením, A/D převodník s vysokým rozlišením a vysokou vzorkovací frekvencí nemohou pomoci. Takový systém jednoduše digitalizuje špatná data. Analyzátory N4L vzorkují průběhy napětí a proudu obvykle rychlostmi několik desítek megahertzů. Po na vzorkování jsou data zpracovávána specializovaným vysokorychlostním digitálním signálovým procesorem.  Výsledkem tohoto procesu jsou příslušné vypočtené parametry. Důležitým rozdílem mezi osciloskopy či kartami pro sběr dat a analyzátory výkonu N4L jsou schopny zaznamenávat, ukládat do mezi-paměti, zpracovávat a mazat vzorky „za chodu“. Vyrovnávací paměť je po zpracování vzorků průběžně vyprazdňována. To znamená, že ve vzorkovacím procesu není nikdy mezera. V kombinaci s Diskrétní fourierovou transformací používanou pro výpočty a výše popsané konstrukci vstupních obvodů je tak u přístrojů N4L zajištěna vynikající přesnost měření výkonů i vysoce zkreslených průběhů.

Další informace o analyzátorech Newtons4th získáte od zástupce pro Českou republiku a Slovensko, firmy Blue Panther s.r.o. (www.blue-panther.cz/newtons4th).