Una tecnologia innovativa migliora l’accuratezza nella misura di
potenza
Introduzione
Rapidi sviluppi nelle tecnologie di conversione di potenza combinate con la necessità di
migliore efficienza creano nuove pressioni ai progettisti di sistemi di potenza moderni per
quantificare più accuratamente il vero valore della potenza elettrica.
Questo ha creato una maggiore attenzione all’accuratezza degli strumenti per la misura
della potenza ed è diventato chiaro che caratteristiche di potenza complesse, associate a
tecniche moderne di conversione di potenza richiedono performance in alta frequenza che
sono al di fuori delle specifiche di analizzatori di potenza convenzionali.
Per esempio, possiamo considerare il segnale di tensione associato a un inverter PWM:
Pulse Width
Modulated
carrier
Tensione
1
2
Componente
fondamentale
Fondamentale +
Armoniche
Carrier, Armoniche del Carrier e
Rumore
Frequenza
Chiaramente, se vogliamo quantificare accuratamente la potenza totale, dobbiamo includere
tutte le componenti in frequenza del segnale. Questo può sembrare chiaro a prima vista in
quanto diversi strumenti offrono un appropriato range in frequenza ma in molti casi, misure
di potenza con elevate accuratezza sono fatte in range di frequenza limitati. Questo è
illustrato dalla linea di risposta 1 che rappresenta l’accuratezza tipica di molti analizzatori di
potenza rispetto alla linea 2 che rappresenta un analizzatore di potenza che mantiene
l’elevata accuratezza nel suo range operativo di frequenza.
Disegno Hardware
Una delle sfide maggiori nell’ottenere un’ottima accuratezza nella misura di potenza
nell’intero range di frequenza è l’hardware degli ingressi di tensione e corrente. Per
l’ingresso di tensione, la risposta in frequenza è largamente influenzata dalla capacità
parassita e per l’ingresso in corrente dove è usato uno shunt a bassa resistenza, la risposta
in frequenza è largamente influenzata dall’induttanza parassita.
Ne consegue che le specifiche a larga banda di un analizzatore di potenza possono essere
ottimizzate minimizzando la reattanza capacitiva dell’ingresso in tensione e la reattanza
induttiva dell’ingresso in corrente.
Normalmente, la migliore possibilità per uno strumento di potenza AC è di utilizzare uno
shunt di corrente a bassa induttanza. Questo è particolarmente difficile in un analizzatore di
potenza perché la resistenza dello shunt deve essere bassa in modo che la potenza
dissipata sia minimizzata. Comunque, siccome l’induttanza parassita di un componente è
funzione della sua geometria, ne consegue che uno shunt di una particolare geometria avrà
un errore di fase maggiore se la resistenza è ridotta, in quanto la stessa induttanza
rappresenterà una porzione maggiore dell’impedenza totale.
Siccome l'impedenza induttiva aumenta con la frequenza, ne consegue che gli errori
associati all’induttanza parassita aumentano con la frequenza.
Flusso
Corrente
Campo
Magnetico
Qui possiamo vedere il fenomeno di base, dove una corrente che
passa in un conduttore crea un campo magnetico rotante. La
presenza di questo campo rappresenta un componente induttivo.
Conoscendo l’errore in ampiezza e fase associate all’induttanza
parassita dello shunt, I costruttori di analizzatori di potenza usano
diverse tecniche per minimizzare il campo magnetico e quindi il
livello dell’induttanza.
Soluzioni Convenzionali
Per ridurre la componente induttiva di uno shunt resistivo, diverse tecniche sono usate per
ottenere la cancellazione del campo magnetico, tutte con l’obbiettivo di creare flussi di
corrente adiacenti uguali ed opposti.
Qui diamo alcuni esempi di tecniche comunemente utilizzate:
Resistenze assiali con
avvolgimento in parallelo.
Qui, l’orientamento
dell’avvolgimento su una forma
tubolare crea qualche
cancellazione del campo dato
dall’opposizione del flusso di
corrente.
Foglio di resistenza modellato.
Qui qualche cancellazione del
campo è raggiunta dalla
opposizione del flusso sui piani
adiacenti. Questa tecnica ha un
vantaggio rispetto al disegno
assiale per la migliore
dissipazione naturale grazie a un
area superiore.
Shunt Coassiale.
Qui, la connessione di Ingresso e Uscita sono nello stesso
punto del tubo e c’è un link dall’altra parte per collegare gli
strati di ingresso e uscita.
Questo sistema raggiunge una cancellazione di campo
superiore alla tecnica assiale e a foglio. Comunque, la
complessità meccanica di questo disegno la rende una
soluzione costosa
Se consideriamo un flusso e il suo ritorno nei due strati dello shunt coassiale, guardando da
un lato dello shunt, notiamo un efficace cancellazione dei campi magnetici rotanti.
Corrente di andata e
di ritorno nel tubo
esterno e in quello
interno
Cancellazione di
Campo
Una soluzione innovativa
Mentre la cancellazione di campo di uno shunt coassiale è buona, le dimensioni fisiche, la
complessità meccanica e I costi sono proibitivi ragion per cui questa tecnica è poco
utilizzata.
In ogni caso, una società innovativa nella strumentazione per la misura di potenza in UK ha
sviluppato e perfezionato una tecnologia che raggiunge una cancellazione di campo uguale
al miglior shunt coassiale mantenendo bassi i costi di produzione permettendone l’utilizzo
sugli analizzatori di potenza a livello commerciale.
Siccome il costo dello shunt coassiale è principalmente nella materia prima, nella
lavorazione e nell’assemblaggio di uno shunt che incorpora tre dimensioni, l’obbiettivo per
questo disegno innovativo era di ottenere una cancellazione di campo ottimale su un
normale PCB piatto.
La scheda richiede un piano conduttore più sottile di quelli normalmente utilizzati combinati
con uno strato di isolamento tra I conduttori, che ottimizza la cancellazione di campo, e uno
strato di laminato esterno per fornire la resistenza meccanica.
Laminato esterno
Piano Conduttore
Strato fine di isolante
Piano Conduttore
Laminato esterno
Usando le piste collegate centralmente alle resistenze a montaggio superficiale che sono
posizionate sul lato esterno della scheda, viene raggiunto il miglior bilanciamento tra lo
scambio di potenza tra le resistenze e la cancellazione del campo.
Qui, una versione semplificata della
scheda, mostra l’andata e il ritorno
della corrente alla resistenza di
precisione a bassa deriva termica a
montaggio superficiale.
Questo layout combinato con le
resistenze a basso ppm e il flusso
d’aria attraverso il piano orizzontale
risulta in un minimo cambio di
temperatura su tutto il range
operativo di corrente.
Visualizzazione del
passaggio di corrente
dall’esterno all’interno
del centro dello shunt
Cancellazione del campo magnetico
creata dal passaggio di corrente
Comparazione di Impedenza e Fase
Per capire la risposta di Fase e Impedenza di questo nuovo shunt rispetto ai modelli a
bassa induttanza disponibili sul mercato, abbiamo creato una tabella che mostra I valori
nominali di resistenza e induttanza di tre modelli incluso il nostro.
Shunt
Resistenza
Induttanza
PCL series
15mOhms
20nH
RO10-F1-K2
10mOhms
10nH
Newtons4th Current Shunt
10mOhms
250pH
Conclusioni
L’uso di tecniche innovative nel disegno analogico combinato con l’ultima tecnologia di
analisi digitale, crea strumenti moderni che possono soddisfare le necessità di tutte
applicazioni di potenza, per questo la Spett.le Newtons4th ha creato una linea di Power
Analyzer che si sta ponendo sul mercato come il prodotto con il miglior rapporto
prezzo/prestazioni, raggiungendo performance fino ad ora impensabili.
