Cắm một bộ nguồn chuyển mạch vào lưới, tụ lọc đầu vào gần như ngắn mạch trong vài mili giây đầu. Dòng khởi động có thể lớn gấp hàng chục lần dòng làm việc. Đỉnh dòng này quyết định chọn cầu chì, điện trở nhiệt NTC, rơ-le và aptomat, và còn ảnh hưởng tới kết quả thử dao động điện áp IEC 61000-3-3. Thế nhưng đo dòng khởi động inrush là phép đo dễ sai nhất trên máy hiện sóng: nó chỉ xảy ra một lần, phụ thuộc thời điểm đóng điện, và dễ vượt giới hạn của đầu dò. Bài viết trình bày cách kích hoạt, chọn và cấp nguồn cho đầu dò, cùng các nguồn sai số cần kiểm soát.
Dòng xung khi cấp nguồn đến từ đâu và vì sao khó bắt
Dòng xung khi cấp nguồn có hai nguồn gốc điển hình. Nguồn thứ nhất là tụ điện đầu vào sau cầu chỉnh lưu: lúc đóng điện tụ đang rỗng, dòng nạp chỉ bị giới hạn bởi trở kháng lưới, dây và điện trở nối tiếp tương đương. Nguồn thứ hai là biến áp và cuộn cảm có lõi từ: lõi có thể bão hoà ở nửa chu kỳ đầu, làm điện kháng tụt mạnh.
TDK-Lambda mô tả một ví dụ khởi động nguội ở bộ nguồn AC-DC: 25,65 A đỉnh, kéo dài 2–3 ms. Hãng cũng lưu ý đa số nhà sản xuất không tính gai rất ngắn do tụ X vào chỉ tiêu dòng khởi động. Ba đặc điểm khiến phép đo khó:
- Chỉ xảy ra một lần mỗi lần cấp nguồn. Không thể dựa vào chế độ chạy liên tục như khi đo gợn sóng.
- Phụ thuộc góc pha lúc đóng điện, nên mỗi lần đóng cho một đỉnh khác nhau.
- Trạng thái ban đầu của tụ, NTC và lõi từ thay đổi giữa các lần thử. NTC còn nóng từ lần trước sẽ cho đỉnh thấp giả tạo.
Góc pha là biến số lớn nhất. Với tải tụ, thực hành của TDK-Lambda là đóng điện đúng đỉnh điện áp xoay chiều để đo trường hợp xấu nhất. Với biến áp thì ngược lại. Elliott Sound Products giải thích rằng đóng ở đỉnh điện áp tránh bão hoà lõi, nên cho dòng khởi động thấp nhất. Trong mạch thử của họ (biến áp + chỉnh lưu + tụ 10 000 µF + tải 16 Ω), đóng ở điểm qua 0 cho 14,5 A đỉnh, đóng ở 90° chỉ còn 8,5 A. Vì vậy, muốn biết trường hợp xấu nhất, hoặc dùng nguồn AC lập trình được góc pha đóng điện, hoặc lặp phép đo nhiều lần và lấy giá trị lớn nhất.
Kích hoạt đơn: quy trình đo dòng khởi động inrush trên máy hiện sóng
- Chuẩn bị đầu dò: khử từ và chỉnh 0 cho đầu dò dòng kẹp khi chưa kẹp vào dây (chi tiết ở phần sau).
- Đặt thang dọc theo đỉnh dự kiến, dùng phần lớn chiều cao màn hình nhưng vẫn chừa dư. Nếu chưa biết đỉnh, thử một lần ở thang rộng rồi thu hẹp.
- Đặt thang ngang đủ chứa toàn bộ quá trình, thường vài chục tới vài trăm mili giây, cho tới khi dòng về trạng thái xác lập.
- Chọn kích hoạt đơn (single) với kích hoạt cạnh trên kênh dòng, mức đặt cao hơn hẳn đỉnh dòng xác lập. Kích hoạt vào dòng thay vì áp để máy chỉ bắt sự kiện dòng xung thật.
- Đặt thời gian trước kích hoạt để thấy cả thời điểm đóng điện, dời điểm kích hoạt sang trái màn hình.
- Đo thêm điện áp lưới trên một kênh khác bằng đầu dò vi sai để biết góc pha lúc đóng.
- Chờ tụ xả và NTC nguội giữa các lần thử, rồi lặp lại nhiều lần.
Bộ nhớ phân đoạn giúp bước 7 hiệu quả hơn. Mỗi lần đóng điện được lưu vào một đoạn riêng kèm nhãn thời gian, không bị lần sau ghi đè. Theo datasheet 4000 X-Series, bộ nhớ phân đoạn là trang bị tiêu chuẩn của dòng máy này.
Đầu dò dòng kẹp: giới hạn đỉnh là cái bẫy chính
Bài đo dòng bằng máy hiện sóng đã so sánh các cách đo dòng, trở kháng chèn và băng thông đầu dò. Với dòng khởi động inrush, thông số quan trọng hơn cả là dòng đỉnh không liên tục mà đầu dò dòng kẹp chịu được trước khi lõi bão hoà. Đầu dò bão hoà không báo lỗi. Nó chỉ cho một đỉnh bị cắt bằng, trông như dòng khởi động nhỏ hơn thực tế.
N7026A: giới hạn phụ thuộc cách cấp nguồn
Theo hướng dẫn sử dụng đầu dò dòng kẹp AC/DC Keysight N7026A, băng thông DC–150 MHz, thời gian lên 2,67 ns, thang nhỏ nhất 1 mA/div. Giới hạn dòng lại khác nhau tuỳ nguồn cấp:
| Nguồn cấp cho đầu dò | Liên tục | Không liên tục (xung ~10 µs) |
|---|---|---|
| Từ máy hiện sóng qua giao tiếp AutoProbe | 5 A DC / 5 A rms | 15 A |
| Bộ nguồn ngoài đi kèm | 30 A | 40 A |
| Trên máy MXR/EXR (cả hai cách) | 30 A | 40 A |
Với xung dài hơn 10 µs, áp dụng giới hạn liên tục. Dòng khởi động kéo dài vài mili giây rõ ràng rơi vào trường hợp này. Nếu cắm N7026A thẳng vào máy InfiniiVision mà không dùng bộ nguồn ngoài, mọi đỉnh trên 5 A đều đáng ngờ. Một lưu ý nữa từ tài liệu: cắm hoặc rút bộ nguồn ngoài sẽ kích hoạt khử từ, và quá trình này có thể tác động tới mạch đang đo. Hãy cắm nguồn ngoài trước khi kẹp đầu dò.
Các lựa chọn khác và chuẩn bị đầu dò
- 1147B (DC–50 MHz, 0,1 V/A): trên máy 4000X/6000X chịu 15 A đỉnh, 10 A rms liên tục, 30 A đỉnh không liên tục; tuyệt đối 50 A với xung ≤10 µs.
- N2893A (100 MHz, 0,1 V/A): 15 A liên tục, 30 A không liên tục.
Mọi đầu dò Hall đều cần khử từ và chỉnh 0 trước mỗi phép đo, khi chưa kẹp dây và offset kênh ở 0 V. Hướng dẫn 1147B còn yêu cầu làm ấm khoảng 30 phút, vì tự nóng làm trôi offset. Với phép đo inrush, trôi offset vài chục mA không đáng kể so với đỉnh vài chục ampe. Nhưng nó sẽ làm sai phần dòng xác lập sau khởi động.
Đầu dò vi sai điện áp và độ lệch thời gian
Để biết góc pha lúc đóng điện, hoặc để tính công suất tức thời, cần đo điện áp lưới bằng đầu dò vi sai. Đầu dò vi sai điện áp cao Keysight N2790A có băng thông 100 MHz, hai hệ số suy giảm 50:1 và 500:1 chọn bằng công tắc trên thân. Điểm dễ nhầm: điện áp vi sai tối đa (DC + đỉnh AC) là 1 400 V ở 500:1 (CAT II), nhưng chỉ 140 V ở 50:1 (CAT III). Đỉnh lưới 230 V là khoảng 325 V, nên phải dùng 500:1. Định mức đồng pha là 1 000 V rms CAT II hoặc 600 V rms CAT III. CMRR đạt −80 dB ở 50/60 Hz.
Đầu dò áp và đầu dò dòng có thời gian truyền khác nhau. Riêng N2790A đã là 14,0 ns ở 50:1 và 12,8 ns ở 500:1. Datasheet ứng dụng phân tích công suất của Keysight nhấn mạnh rằng một độ lệch nhỏ về thời gian có thể gây sai số lớn cho công suất tức thời. Với đỉnh dòng tính bằng mili giây, lệch vài chục nano giây không ảnh hưởng tới giá trị đỉnh. Nhưng nó quan trọng khi tính năng lượng hoặc công suất qua linh kiện chuyển mạch. Bộ gá U1880A dùng để bù lệch tự động trong ứng dụng công suất.
Sáu nguồn sai số khi đo dòng khởi động inrush
- Bão hoà đầu dò: đỉnh bị cắt bằng. Kiểm tra giới hạn không liên tục ứng với độ rộng xung thực tế và cách cấp nguồn.
- Chưa khử từ và chỉnh 0: offset dư cộng thẳng vào kết quả.
- Không kiểm soát góc pha: một lần đo chỉ là một mẫu trong phân bố. Báo cáo giá trị lớn nhất sau nhiều lần đóng.
- Trạng thái nhiệt của NTC và điện tích dư của tụ: lần thử ngay sau lần trước cho đỉnh thấp giả tạo.
- Độ phân giải dọc: ADC 8 bit chia thang thành 256 mức. Thang đặt quá rộng làm mất chi tiết. Chế độ độ phân giải cao của 4000 X-Series lên tới 12 bit, đổi lại băng thông hiệu dụng giảm.
- Trở kháng nguồn: đỉnh dòng phụ thuộc trở kháng lưới và dây. Muốn so sánh giữa các phòng thử, phải cố định nguồn AC và chiều dài dây.
Liên hệ với IEC 61000-3-3
IEC 61000-3-3:2013 không giới hạn trực tiếp dòng khởi động. Nó giới hạn thay đổi điện áp mà dòng đó gây ra trên trở kháng tham chiếu. Điều 5 quy định dmax ≤ 4 % khi không có điều kiện kèm theo, 6 % hoặc 7 % với một số nhóm thiết bị đóng cắt bằng tay hay ít đóng cắt. Ngoài ra, thời gian d(t) vượt 3,3 % không quá 500 ms. Chú thích 2 của định nghĩa 3.5 nói rõ phép đánh giá thời gian này “nhằm đánh giá dạng dòng khởi động”. Điều 6.1 cho phép coi thiết bị đóng cắt bằng tay là đạt mà không cần thử, nếu dòng rms kể cả dòng khởi động trong mỗi nửa chu kỳ 10 ms không quá 20 A. Đo dòng khởi động bằng máy hiện sóng vì vậy là bước sàng lọc hữu ích trước khi đưa mẫu đi thử nhấp nháy chính thức.
Chọn thiết bị Keysight để đo dòng khởi động
Theo datasheet, máy hiện sóng Keysight MSOX4154G có băng thông 1,5 GHz, 4 kênh tương tự + 16 kênh số. Tốc độ lấy mẫu 5 GSa/s khi dùng nửa số kênh (2,5 GSa/s khi dùng cả bốn). Bộ nhớ 4 Mpts (2 Mpts khi dùng cả bốn kênh), bộ nhớ phân đoạn tiêu chuẩn, trên 1 triệu dạng sóng/giây, màn hình cảm ứng 12,1 inch. Tuỳ chọn phân tích công suất D4000PWRB có sẵn phép đo “Inrush current”. Theo datasheet ứng dụng công suất của Keysight, phép đo này cho giá trị đỉnh dòng khởi động khi bộ nguồn được cấp điện, kèm hướng dẫn từng bước cho phép đo một lần. Gói này còn có đo chất lượng điện, hài IEC 61000-3-2 tới bậc 40, gợn sóng và hiệu suất.
Cấu hình gọn cho phòng thử bộ nguồn: MSOX4154G với D4000PWRB, N7026A dùng bộ nguồn ngoài cho dòng tới 40 A đỉnh, và N2790A ở 500:1 cho điện áp lưới. Với dòng khởi động lớn hơn, cần đầu dò có định mức đỉnh cao hơn hoặc điện trở shunt, kèm đầu dò vi sai để đo an toàn.
Kết luận
Đo dòng khởi động inrush đúng cần ba điều. Thứ nhất, kích hoạt đơn trên kênh dòng, có thời gian trước kích hoạt và lặp nhiều lần. Thứ hai, đầu dò dòng kẹp được khử từ và cấp nguồn đúng để không bão hoà. Thứ ba, biết góc pha đóng điện, vì tải tụ và tải biến áp có trường hợp xấu nhất ngược nhau. Bỏ qua một trong ba điều, con số đỉnh dòng có thể thấp hơn thực tế mà không có dấu hiệu nào cảnh báo.
Giá trị đỉnh dòng dùng để chọn cầu chì hay chứng minh hợp chuẩn chỉ đáng tin khi đầu dò và máy hiện sóng còn trong hạn hiệu chuẩn. Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn máy hiện sóng, đầu dò dòng và đầu dò vi sai theo ISO/IEC 17025. Liên hệ hotline 0908 173 345 để được tư vấn cấu hình đo và lịch hiệu chuẩn.
