Die Simulation hilft bei der Zuverlässigkeitsprüfung beim Versatz

NOTRUF 112 #34: Das THW hilft aus! I Feuerwehr-Simulation (March 2019).

Anonim

Große Ströme in verteilten Systemen können dazu führen, dass sich lokale Bodenreferenzen erheblich unterscheiden, aber die Simulation kann den Designern dabei helfen, Probleme zu erkennen und zu lösen

Verteilte Systeme, die mit großen Strömen arbeiten, können ihre "gemeinsame" Bezugsmasse haben, da sie erhebliche lokale Schwankungen aufweisen. In der Automobilelektronik beispielsweise erzeugen Elektromotoren während der Kaltkurbel große Bodenversatzgeräusche. Die Technik, den Bodenversatz zu simulieren, um elektronische Systeme von Automobilen zu testen, wird Entwicklern helfen, die Systemzuverlässigkeit sicherzustellen.

In einem verteilten System muss jedes elektronische Subsystem in der Lage sein, zuverlässig mit den anderen zu kommunizieren, auch wenn ein erhebliches Rauschen vorhanden ist. Starkstrom-Handling-Systeme wie die Automobilelektronik stehen vor einer besonderen Herausforderung: das Vorhandensein von großen Bodenversatzgeräuschen. In solchen Systemen kann der Erdungsstrom bis zu 100 A oder mehr betragen und ist oft transient; dh sie dauern für eine kurze Dauer. Da während dieses Übergangsstroms Masseleitungen und -flächen immer einen parasitären Widerstand aufweisen, verursacht der Strom einen beträchtlichen IR-Spannungsabfall über die Leitung. Diese IR-Spannung bedeutet, dass zwischen den Kommunikationssystemen eine Masse-Referenzdifferenz besteht.
Bodenversatz
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, gibt die Hochstromquelle (dh eine Bleibatterie mit 12 V) einen sehr hohen Strom in der Größenordnung von Hunderten von Ampere an die Last aus (dh Anlassermotor). Dieser Strom wird über das Erdungskabel oder das Chassis zurückgeleitet, das einen niedrigen, aber keinen Nullwiderstand aufweist. Selbst bei einem 10-mΩ-Erdungswiderstand ergeben die 100 A eine 1-V-Differenz zwischen zwei verschiedenen Orten in der Masseebene.

Da die Kommunikationssubsysteme des Fahrzeugs mit dem gleichen Masseknoten verbunden sind, jedoch an verschiedenen Punkten, kann zwischen den Massereferenzen der Sender- und Empfängereinheiten ein Unterschied von 1 V bestehen. Das heißt, GND-R ist 1 V höher als GND-T. Diese Kommunikationssysteme müssen daher so ausgelegt sein, dass sie mit einem solchen Unterschied umgehen, und sie müssen während der Entwicklung gründlich getestet werden.

Abb. 1: Masse-Offset-Spannung wird durch hohen Strom in der Masseebene verursacht.

Um das Verständnis des Massespannungs-Offset-Effekts weiter zu unterstützen, zeigt Fig. 2 die Ersatzschaltung von Fig. 1 mit dem 1-V-IR-Abfall, wenn ein 100-A-Massestrom vorliegt. Diese Spannung liegt zwischen den beiden Kommunikationssubsystemen. Diese Offset-Spannung bewirkt, dass die Masse-Eingänge der beiden Kommunikationssubsysteme auf einem unterschiedlichen Spannungspegel liegen. Wenn die Massespannungsdifferenz groß genug ist, könnte die Kommunikation fehlschlagen. Um zu überprüfen, ob ein Design zuverlässig funktioniert, muss es mit Subsystemen getestet werden, die mit Referenz-Offsets arbeiten.

Fig. 2: Vereinfachte Ersatzschaltung von Fig. 1. Zwischen den zwei Kommunikationssubsystemen befindet sich eine Masseoffsetspannung.

Ground-Offset-Simulation und -Erzeugung
Während der Produktentwicklungsphase ist es viel praktischer, den Masseversatz zu simulieren, wenn das Kommunikationssystem getestet wird, als 100 A zu pumpen. Eine Möglichkeit, wie in 3 gezeigt, besteht darin, die Erdversatzspannung mit einem Vierquadranten zu simulieren B. Accel TS200 oder TS250, zwischen die Sendermasse (GND-T) und die Masseknoten des Empfängers eingesteckt.

Abb. 3: Ein Vierquadranten-Netzteil kann die Offset-Erdspannung simulieren.

Vier-Quadranten-Netzteil verstehen
Ein Vier-Quadranten-Netzteil ist eine spezielle Spannungsversorgung, die sowohl Strom als auch Strom liefern kann, unabhängig davon, ob die Ausgangsspannung positiv oder negativ ist. Im Gegensatz dazu kann eine reguläre Stromversorgung nur Strom liefern; es kann Strom nicht sinken. Um die Vier-Quadranten-Stromversorgung weiter zu verstehen, zeigt Fig. 4 das Vierquadranten-Diagramm.

Abb. 5: Modulierte Stromversorgung wird für den Erd-Offset-Test verwendet.

DC-Ground-Offset-Test
Für die Simulation der Erdoffsetspannung, wie in 3 gezeigt, verwenden Tester üblicherweise den zweiten und den vierten Quadranten. Zum Testen der Transceiver werden zwei Testfälle benötigt. Im ersten Testfall verwendet der Empfänger die höhere Erdspannung. Um dies zu erreichen, sollten Tester die Vierquadrantenspannungsversorgung auf positive Spannung einstellen. Der zweite Fall ist, wenn der Sender die höhere Massespannung hat. In diesem zweiten Fall sollte die Stromversorgung auf negative Spannung (und Sourcing-Strom) eingestellt werden. Für maximale Zuverlässigkeit der Systemzuverlässigkeit muss der Transceiver gründlich mit verschiedenen Masseoffset-Pegeln, sowohl positiven als auch negativen Spannungen, getestet werden.

Hier ist das empfohlene Testverfahren:
1. Verbinden Sie den positiven Ausgang des Netzteils mit dem GND-T-Knoten des Senders.
2. Verbinden Sie den negativen Ausgangsanschluss mit einer gemeinsamen Masse.
3. Verbinden Sie die Empfängermasse (GND-R) mit der gemeinsamen Masse.
4. Stellen Sie zunächst den Versorgungsausgang auf Null Volt ein.
5. Testen Sie die Kommunikationssysteme.
6. Erhöhen Sie die Ausgangsspannung auf eine höhere Spannung (dh +100 mV).
7. Wiederholen Sie die Schritte 5 und 6, bis die Kommunikation fehlschlägt. Dies ist der Fehlerpunkt des Systems.
8. Wiederholen Sie die Schritte 1 bis 7, um negative Offset-Spannungsschritte zu verwenden.

Wechselstrom-Offset-Test
Solche Erdungsoffsets können nicht nur Gleichspannungen sein, sondern sind häufig AC oder transient. Transiente Erdungsoffsets treten beispielsweise auf, wenn große Stromstöße in die Masseebene injiziert werden. Dieser Spannungsstoß verursacht ein Aufprallen des Bodens und wirkt wie eine Geräuschquelle, die den Gesamtsystem-Geräuschpegel erhöht. Dies kann mehr als die Kommunikationssubsysteme betreffen. Zum Beispiel wird ein großes Grundrauschen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis in analogen und ADC / DAC-Schaltungen reduzieren oder den Jitter-Pegel in digitalen Systemen erhöhen sowie die Kommunikationsintegrität beeinträchtigen.

Daher ist es wichtig, alle Subsysteme und Schaltkreise, die hochpegeligem Bodenrauschen ausgesetzt sind, gründlich zu testen. Transiente Störungen lassen sich am einfachsten mit einem AC-Vierquadranten-Netzteil wie dem Accel TS250- Wellenformverstärker simulieren . Abb. 6 zeigt den Testaufbau. Ein Signalgenerator erzeugt das Rauschen oder die Transiente. Der Wellenformverstärker (der auch als Vierquadranten-Netzteil arbeiten kann) wirkt wie ein Puffer, der aufgrund seiner sehr niedrigen Ausgangsimpedanz große Ströme ableiten oder liefern kann.

Abb. 6: Testaufbau zur Erzeugung von Bodenrauschen zur Simulation eines großen Erdschlussstroms.

Fazit
Eine Vierquadranten-Spannungsversorgung ist entscheidend, um Erd-Offset-Spannungen zu simulieren, die die Spannungsebenen-Grundspannung in einem Hochstromsystem nachahmen. Darüber hinaus muss die simulierte Offset-Spannungsversorgung sowohl Senken als auch Quellenstrom liefern können. Diese Simulation wird benötigt, um alle Subsysteme (Transceiver) in elektronischen Produkten, die große Ströme verarbeiten, gründlich zu testen.

Von KC Yang, Accel Instruments