Meetbandbreedte vergroten en de decompositie van meetmodi

Door Tom Hartman en Niek Moonen, Universiteit Twente

Deze blog is de tweede in een reeks artikelen waarin nieuwe meettechnieken aan het licht worden gebracht die in staat zijn om storingen op een vernieuwende wijze te analyseren. In het vorige artikel was te lezen hoe men met een oscilloscoop, in combinatie met digitale signaalverwerking, een EMI meetontvanger kan simuleren.

Als gevolg van opkomende technologieën en de snelle verbetering van elektronische producten, wordt het realiseren van Elektromagnetische Compatibiliteit (EMC) steeds lastiger. Er is behoefte aan meettechnieken die snel en volledig de Elektromagnetische Interferentie (EMI) van een systeem kunnen karakteriseren. Als die zijn ontwikkeld, kunnen de ontwikkelingskosten gedrukt worden en zal de kwaliteit van het product uiteindelijk toenemen.

Aangezien veel commerciële ‘off the shelf’ vermogenselektronica schakelfrequenties heeft in het gebied tussen de 2 kHz en 150 kHz, is het lagefrequentiegebied (DC – 30 MHz) voor geleidende EMI van groot belang. Een van de redenen om de schakelfrequenties in dit gebied te plaatsen is de tekortkoming of het niet bestaan van civiele standaarden.

Een goedkope – maar zeker niet de enige – vervanger voor een meetontvanger die de laagfrequente storingen kan analyseren, is de PicoScope. Deze fungeert als een analoog-naar-digitaal omvormer die gebruik maakt van directe conversie, met andere woorden geen ‘down mixer’ bevat, wat de kosten drukt.

Zoals beschreven in de vorige blog, zijn veel snellere metingen mogelijk nu tijd-domeinmetingen kunnen worden gecombineerd met digitale signaalverwerking. Dit gaat helaas gepaard met een gelimiteerd dynamisch bereik. Dit komt omdat de traditionele spectrumanalyzer elk frequentiecomponent individueel (of per klein groepje) bekijkt en de tijd-domeinmeting alle frequentiecomponenten tegelijkertijd meet.

Wij hebben een PicoScope kunnen aanschaffen die de metingen met 8 kanalen synchroon kan uitvoeren. Dit geeft bijna oneindig veel mogelijkheden, zoals kort benoemd in het vorige artikel. In dit artikel zullen twee mogelijkheden worden uitgelegd:

• Het vergelijken van verschillende methodes voor het meten en berekenen van symmetrische spanning, via digitale signaal verwerking,
• Vergroting van meetbandbreedte

Methodes Vergelijken

Voor het evalueren van de symmetrische spanning zijn drie verschillende methodes gebruikt en vergeleken. Om hier een juiste vergelijking te kunnen maken, werden de volgende vijf parameters synchroon gemeten [1]:

V_dm: Symmetrische spanning
V_L: Fasespanning
V_N: Neutraalspanning
I_L: Fasestroom
I_N: Neutraalstroom

In het volgende figuur zijn de 5 verschillende spanningen en stromen schematisch te zien [2]:

Figuur 2 Definities van niet-symmetrische, symmetrische en asymmetrische modes met de aarde (PE) als referentie

Analoge Meting en Digitale Signaal Verwerking

Eerst hebben we simpelweg de differentiaalspanning direct gemeten, vervolgens hebben we ter controle de fasespanning en de neutraalspanning apart gemeten. Om de spanningen veilig te kunnen meten is een doosje ontworpen dat zowel een filter bevat als een galvanische scheiding [3]. De gemeten grootheden Vdm, VL en Vn konden hierna vergeleken worden. In het geval van VL en Vn moesten we eerst de symmetrische spanning uitrekenen door het verschil te bepalen:

V_dm=V_L-V_N

Figuur 3: Veilige meet doosjes  

Stroom naar spanning

Verder kunnen we ook de symmetrische spanning berekenen aan de hand van de stroom als volgt: 

V_dm=1/2 (I_L-I_N )*Z_load

Waarbij Z_load=250 Ω en er vanuit gegaan wordt dat de frequentie constant is over het gehele frequentiebereik.

Vergelijking

Deze drie verschillende manieren van het meten/berekenen van de symmetrische spanning hebben we vervolgens gezamenlijk weergegeven, waarbij elke meting in zijn eigen frequentiebereik te zien is. Deze gebieden zijn afhankelijk van het gebruikte materiaal. Het frequentiebereik van de stroomtangen en het bereik van het doosje met het spanningsmetercircuit zijn te zien in Tabel 1.

Figuur 4 Respectievelijke frequentiegebieden

Met behulp van Figuur 4 vergelijken we de analoge meetmethode van de symmetrische spanning met de digitale symmetrische spanning berekend vanuit de fase- en neutraalspanning. Dit kunnen we hierna kwantificeren met het verschil dat gemiddeld 0.3 dB is. Door een eventuele kleine afwijking in de massageproduceerde componenten is er een afwijking mogelijk tussen twee ‘identieke’ meetcomponenten wat betreft het meten van dezelfde spanning. Het is hierbij belangrijk om op te merken dat voor de ‘analoge splitsing’ één spanningsniveau wordt gemeten en voor de ‘digitale splitsing‘ twee , wat invloed heeft op het verschil in ruisniveau van de signalen.

Tabel 1 Meetapparatuur

Ook is er een duidelijk overlappend frequentiegebied te zien in het figuur van 2 kHz – 100 kHz. In Figuur 5 is dit overlappende gebied te zien waarin de verschillende meettechnieken vergeleken kunnen worden. In het figuur is een duidelijke overeenkomst te zien tussen de verschillende meetmethodes. De pieken vallen netjes op elkaar voor alle drie de methodes, en de hoogtes hiervan wijken nauwelijks af. De ruisvloer is echter verschillend. De vloer van de stroommeting ligt hoger dan die van de spanningsmetingen, maar de meetbandbreedte begint al bij DC in plaats van 2 kHz. De resultaten laten dus naast het vergelijken van de verschillende meettechnieken ook direct zien dat er een mogelijkheid is voor het uitbreiden van het frequentiebereik van één enkele meting.

Figuur 5 Frequentie gebied vergelijking

Vergroting van meet Bandbreedte

Aangezien de symmetrische spanning direct gemeten is en via een stroommeting is berekend, ontstaat er een nieuwe mogelijkheid. Door middel van de synchrone meting en het overlappende frequentiebereik, hebben we een meting van de symmetrische spanning gerealiseerd over een vergroot frequentiebereik. Door de overeenkomst tussen de verschillende meettechnieken in het overlappende frequentiegebied kan dit gezien worden als één meting. De combinatie hiervan is weergegeven in Figuur 6. Een relatief grote stap in de ruisvloer is te zien rond de 2 kHz. Dit komt door het verschil in de ruisvloer van de verschillende meetapparaten.

   

Figuur 6 Bandbreedte vergroting

Conclusie

Met zicht op de vele mogelijkheden die synchrone tijd-domeinmetingen met zich meebrengen, hebben we in dit artikel een 8-kanaalsmeting kwantitatief geëvalueerd. De decompositie van meetmodi door één analoge meting en door twee metingen met digitale signaal verwerking zijn besproken. Hierbij kwam naar voren dat er maar kleine verschillen waren, waarbij men dus de oorzaak ook in kleine verschillen in de meetcomponenten kan zoeken. Ook hebben we laten zien dat het gemeten frequentiebereik uit te breiden is door simultaan meerdere frequentiegebieden te meten. Het voordeel hiervan ligt voornamelijk in de gevolgen voor het dynamisch bereik en de ruisvloer. De optimale combinatie van verschillende meettechnieken en signaalverwerkingsalgoritmes zijn onderwerpen waar de onderzoekers van Scent en Etopia zich onder andere verder bezig mee gaan houden. Het gebruik van het doosje om veilig de netspanning en de interferentie hierin aanwezig te meten, kan men in dit filmpje bekijken: 

*Deze projecten hebben funding gekregen van het EU Horizon 2020 programma onder de Marie Sklodowksa Curie Grant Agreement nummer 812391 en 812753

Bronnen

[1] T. Hartman, N. Moonen and F. Leferink, "Evaluation of Multichannel Synchronous Conducted TDEMI Measurements for High Voltage Power Electronics," 2018 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE), Amsterdam, 2018, pp. 839-843.

Evaluation of Multichannel .

[2] B. J. A. M. van Leersum, R. B. Timens, F. J. K. Buesink and F. B. J. Leferink, "Time domain methods for the analysis of conducted interference on the power supply network of complex installations," 2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Gothenburg, 2014, pp. 605-610.

Time domain methods.

 

[3] C. Keyer, F. Buesink and F. Leferink, "Mains power synchronous conducted noise measurement in the 2 to 150 kHz band," 2016 International Symposium on Electromagnetic Compatibility – EMC EUROPE, Wroclaw, 2016, pp. 865-869.

Mains_power_synchronous_conducted.