Aprende a medir la eficiencia de una fuente de alimentación de DC

Muchos diseños electrónicos requieren una fuente de alimentación que proporcione un voltaje conocido en un rango específico de cargas y condiciones de corriente. Los diseños más eficientes convierten la potencia de entrada en un porcentaje más alto de potencia de salida que los diseños menos eficientes. Dado que la mayoría de las pérdidas de la fuente de alimentación se generan como calor dentro del suministro, los diseños más eficientes tienden a funcionar a menor temperatura, ofrecen una mayor estabilidad y una vida útil más prolongada.

Esto es especialmente importante para aplicaciones que requieren energía de la batería, como sensores remotos de IOT o módulos de comunicaciones que necesitan estar operativos durante un período de tiempo prolongado.

Para hacer diseños más eficientes, necesitamos saber cómo medir la eficiencia del suministro de energía. En esta nota, presentaremos la teoría básica para los cálculos de eficiencia de la fuente de alimentación de CC, presentaremos una configuración física para medir con precisión los parámetros importantes y proporcionaremos un programa de ejemplo que coordina las mediciones y calcula automáticamente la eficiencia de la fuente de alimentación rápidamente.

Teoría de antecedentes

La eficiencia de una fuente de alimentación es simplemente la relación entre la salida y la entrada.

De la teoría de la electrónica de potencia:

η = Puchero / Pin

Donde η = eficiencia energética, Pout = potencia de salida (vatios) y Pin = potencia de entrada (vatios)

Para alimentación de CC,

P = V * I

Donde P = potencia (vatios = julios / s), V = voltios (julios / culombio) e I = corriente (amperios = culombios / s)

Entonces, si medimos el voltaje de entrada y el consumo de corriente, podemos calcular la potencia de entrada.

Pin = Vin * Iin

Si medimos el voltaje de salida y el consumo de corriente, podemos calcular la potencia de salida.

Puchero = Vout * Iout

Ahora, una simple división proporciona la eficiencia energética como una relación que se puede mostrar fácilmente como un porcentaje en ese valor de carga específico. Se puede calcular una curva de la eficiencia frente a los valores de carga escalonando el valor de carga y calculando la eficiencia en cada valor de carga y trazándolo como se muestra a continuación:

Figura 1: Muestra de la curva de eficiencia de la fuente de alimentación.

Configuración

La configuración más básica para esta prueba utiliza:

Cantidad 1 fuente de alimentación
Cantidad 1 DC carga electrónica

Normalmente cableado como se muestra:

El proceso:

Suministrar energía al dispositivo bajo prueba.
Establecer la carga para un consumo de corriente determinado.
Mida Vin, Iin, Vout e Iout en el punto de ajuste de la corriente de carga.

Esto es tan simple como se pone con una prueba de electrónica, pero hay dos consideraciones importantes con esta configuración:

¿Cuántos pasos de carga se requieren para construir con precisión una curva de eficiencia para su dispositivo bajo prueba?
¿Qué nivel de resolución y precisión necesita para el cálculo?

Las curvas de eficiencia energética típicas requieren 10 o más pasos de corriente de carga para obtener una representación precisa de la eficiencia. Realizar esta prueba manualmente puede ser un poco tedioso y propenso a errores. Para ahorrar tiempo, es posible que desee considerar la posibilidad de automatizar la configuración con una computadora.

Para la pregunta de resolución, tenga en cuenta que la mayoría de las fuentes de alimentación comerciales y las cargas de CC tienen una resolución de medición de 3,5 dígitos y valores de precisión que pueden no ser lo suficientemente altos para caracterizar el DUT con seguridad.

Para abordar estas dos consideraciones, agregamos cuatro multímetros: uno para medir Vin, Iin, Vout e Iout y creamos un programa de computadora para automatizar las configuraciones del instrumento, los valores de corriente de carga escalonada y la recopilación de datos.

Aquí hay un diagrama de cableado de la configuración:

Aquí hay una imagen de la configuración experimental que usa un SIGLENT SPD1168X, SDM3055 para Iin e Iout, SDM3045X para Vin y Vout, y una carga de CC SDL1020X-E:

NOTA: Mantenga los cables a la carga lo más cortos posible para minimizar la caída de voltaje I * R y seleccione DMM con una carga de voltaje bajo en los rangos de medición de corriente que espera usar. Los cables largos y una carga de alto voltaje pueden hacer que el DUT alcance su límite de voltaje de salida antes de alcanzar el consumo máximo de corriente esperado.

Para concluir se puede decir que la eficiencia de la fuente de alimentación es un aspecto importante de cualquier diseño de fuente de alimentación. Usando algunas piezas estándar de equipo de prueba, se puede construir rápidamente un sistema modular con suficiente resolución para medir las aplicaciones más exigentes.

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