DHTML JavaScript Menu By Milonic
Ultima
Каталог
О компании
Пресса-публикации
Технологии
Новости
Где купить
Официальный дистрибьютор

shunyata DTCD

 

 

Доклад о DTCD

Зачем компания Shunyata Research разработала DTCD-анализ и DTCD-анализатор?

Автор: Кэлин Гэбриэл

Дата: 20 августа 2010 года

 

Компания Shunyata Research занимается разработкой и производством высококачественной кабельной и электротехнической продукции. Мы уделяем огромное внимание исследованиям материалов и конструкционных элементов, используемых в нашей продукции. Мы осуществляем контрольные прослушивания аудиотехники с использованием своей продукции с тем, чтобы выявить воспринимаемые на слух различия между материалами. Кроме того, нами проводится множество прочих тестов с использованием измерительного оборудования в поисках тех физических данных, которые способствовали установлению связей между результатами прослушивания аппаратуры  и результатами инструментальных исследований ее характеристик. Мы находимся в постоянном поиске тех различий между материалами, которые оказывают влияние на производительность нашей продукции даже в том случае, если данное влияние незначительно. Далее следует список некоторых из большого количества изученных нами областей:

 

- материал проводников (медь, серебро и т.д.)

- материал отделки проводников (золото, серебро, родий и т.д.)

- взаимное расположение проводников (количество проводников, шаг витка и т.д.)

- степень очистки материала проводника (например, 4-9s, CDA-101, ETP, монокристаллический материал и т.д.)

- площадь поперечного сечения проводника (например, 1.31 кв.мм. или 0.823 кв.мм)

- материал изоляции (термопластичные эластомеры, политетрафторэтилен, полиэтилен, полиуретан, поливинилхлорид и т.д.)

- геометрические характеристики проводников

- типы плавких предохранителей

- типы прерывателей цепи

- типы контактов

- способы оконцовки проводников (обжим, пайка и т.д.)

 

Несмотря на то, что многие характеристики перечисленных выше материалов и изделий могут быть объективно измерены, некоторые из них, оказывающие непосредственное влияние на производительность аппаратуры, крайне сложно поддаются измерению при помощи существующего оборудования. Речь идет о традиционном оборудовании, используемом для измерения характеристик электротехнических изделий. В частности, широкое распространение получили т.н. мультиметры – устройства, предназначенные для измерения сопротивления цепи, силы тока и напряжения. Среди более специализированного и совершенного оборудования можно отметить анализаторы мощности, предоставляющие возможность измерения гармонических искажений в электрической цепи и коэффициента мощности электрических устройств. Кроме того, к измерительному оборудованию можно отнести силовые тестеры, анализаторы импеданса, изоляции и пр. Компания Shunyata Research владеет всем из перечисленного выше оборудования. Мы активно используем его в своих разработках. К сожалению, мы пришли к выводу о том, что возможности подобного оборудования не являются достаточными для обоснования объективно существующих различий между определенными конструкционными материалами. В свете этого мы решили обратиться к оборудованию, которое изначально не предназначено для измерения характеристик электротехнического оборудования. Например, мы экспериментировали с рефлектометрами для кабелей различных типов с целью определения разницы в характеристиках тестируемых материалов. Несмотря на то, что многие из осуществленных нами экспериментов принесли определенную пользу, мы так и не смогли обосновать разницу в характеристиках различных образцов однотипной продукции, например – одинаковых по длине кабелей электропитания, построенных на основе проводников с разными значениями площади поперечного сечения. В частности, измерение характеристик этих двух образцов, осуществленные при помощи перечисленного выше оборудования, дало идентичные результаты, в то время как разница между ними, выявленная в ходе контрольного прослушивания аппаратуры, была очевидной.

На основании результатов многолетних исследований мы установили неизменную и непосредственную зависимость между геометрическими характеристиками проводников и производительностью кабелей электропитания, построенных на их основе. В общих чертах, можно утверждать, что чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем выше производительность кабеля. Другим фактором, оказывающим влияние на производительность кабеля, является его собственное сопротивление. Кроме того, по мере роста значения индуктивности кабеля (например, при использовании в его конструкции катушек индуктивности и ферритовых сердечников) падает его производительность. Резюмируя, собственное сопротивление кабеля электропитания и его индуктивность оказывают очевидное воздействие на производительность изделия, что подтверждается результатами контрольных прослушиваний аппаратуры. Тем не менее, измерение индуктивности двух кабелей электропитания, построенных на основе проводников разной площади поперечного сечения, дает практически одинаковые результаты на стандартных частотах тестового сигнала (60 Гц и 1 КГц). Возникает вопрос: каким образом можно разрешить очевидное расхождение в результатах инструментальных измерений и контрольных прослушиваний?

Теперь рассмотрим работу источников электропитания в составе конструкции бытовой аудиовизуальной аппаратуры. Измерения, осуществленные с использованием осциллографа, показывают, что в процессе обработки электрического тока обычный источник электропитания генерирует гармоники высоких порядков. На основании данного факта можно предположить, что подобные высокочастотные составляющие, привносимые источником электропитания в состав исходного электрического сигнала, могут  являться причиной существования разницы в производительности кабелей электропитания, воспринимаемой в процессе контрольных прослушиваний аппаратуры.

 В своих экспериментах мы использовали мощный усилитель аудиосигнала. Наше внимание было акцентировано на его источнике электропитания. В частности, мы использовали мультиметр и анализатор спектра для измерения силы тока и характеристик нагрузки в цепях выпрямителей. К нашему удивлению мы обнаружили, что характеристики работы выпрямителей зависят от используемого кабеля электропитания. Более того, была установлена зависимость спектральных характеристик электрического сигнала от кабеля электропитания. Потратив несколько месяцев на подобные исследования, мы обнаружили, что результаты измерений нестабильны. Напряжение в сети электропитания изменялось в зависимости от времени суток и состава прочих потребителей электроэнергии в использовавшийся нами цепи. Результаты тестирования изменялись в зависимости от нагрузки, подключенной к усилителю, и количества рассеиваемого им тепла. Приняв во внимание описанные выше нюансы, мы пришли к выводу о том, что уместным решением в подобной ситуации будет использование определенного эталонного набора оборудования высокой точности, которое максимально реалистично имитировало бы как источник напряжения электропитания, так и нагрузку цепи. Подобное решение позволило бы нам реализовать модель источника электропитания, работающего в реальных условиях. В результате мы получили бы решение, способное обеспечить нас точными и неизменными результатами измерения электрических характеристик. Применяя подобное решение, мы могли бы тестировать кабели электропитания и прочую электротехническую продукцию непосредственно, не прибегая к использованию стороннего изделия, подобного усилителю аудиосигнала, результаты тестирования которого не всегда оказывались обоснованными. Так появилась на свет концепция DTCD-анализатора.

PowerSupply-720wDTCD-анализатор был разработан специально для исследования непосредственных характеристик кабелей электропитания и прочих устройств обработки электрического сигнала. Основным назначением электрического кабеля является передача электрической энергии от сети электропитания к источнику электропитания в составе аппаратуры. DTCD-анализатор предназначен для измерения мгновенных значений электрического тока на основании представления источника электропитания в качестве элемента нагрузки цепи. Зачем измерять именно мгновенные значения электрического тока? Как видно на иллюстрации справа, характеристики энергопотребления любого современного источника электропитания не являются линейными. Здесь необходимо пояснить, что DTCD-анализатор не предназначен для измерения напряжения и силы тока в цепях линейной обработки электрической энергии, где ее потребление осуществляется на всем протяжении волны сигнала. Примером цепи линейного потребления электрической энергии является известная всем осветительная лампа накаливания.

Источники электропитания бытовой электронной аппаратуры построены на основе выпрямителей, осуществляющих преобразование переменного электрического тока в постоянный. Поскольку в основе конструкции выпрямителя лежат конденсаторы, осуществляющие накопление электрического потенциала, выпрямитель потребляет электроэнергию только в тот момент, когда значение приложенного к его цепи напряжения превосходит значение потенциала, накопленного конденсаторами в составе его конструкции. На практике это означает, что характеристика потребления электроэнергии источником электропитания имеет переменный, нелинейный характер. Иными словами, фактическое потребление энергии осуществляется только на определенном участке волны переменного электрического сигнала. Здесь и далее этот участок волны сигнала обозначается как «период потребления» (Conduction Period). Именно период потребления представляет для нас особый интерес в контексте измерения значений напряжения и силы тока. Соответственно, значения силы тока, усредненные на всем протяжении волны переменного электрического сигнала, не требуют нашего внимания т.к.  не являются объективной характеристикой энергопотребления изделия.

BlockDiagram-720wDTCD-анализатор предназначен для исследования мгновенных значений электрического тока, протекающего по цепи тестируемого изделия. Основным приложением DTCD-анализа является исследование устройств, отличающихся естественно малым значением сопротивления собственной цепи. В свете этого задача по разработке устройства, которое предоставляло бы возможность точного измерения столь малых величин, как различия в характеристиках кабелей электропитания  и прочих электротехнических изделий, оказалась нетривиальной. Более того, данные различия, в случае их успешного измерения, нуждались бы в обосновании с целью их использования в процессе совершенствования разрабатываемых нами технологий.

Учитывая изложенное выше, от DTCD-анализатора требовалась способность к имитации цепи переменного электрического тока с характеристиками, свойственными источнику постоянного напряжения. Источник напряжения в составе конструкции DTCD-анализатора построен на основе массива конденсаторов, отличающегося предельно малым (не более 0.0016 Ом) значением собственного сопротивления и способностью к генерации импульсов электрического тока величиной до нескольких сотен ампер при минимальном падении напряжения.

Не менее важным элементом конструкции DTCD-анализатора является цепь нагрузки. Ее назначением является имитация типового источника электропитания со свойственными ему нелинейными характеристиками энергопотребления, природа которых описана выше. Именно по этой причине было выбрано значение напряжения 30 Вольт, являющееся типичной разницей между напряжением, приложенным к источнику электропитания, и текущим потенциалом, накопленным конденсаторами в составе его конструкции.

Наконец, измерительная цепь DTCD-анализатора была разработана специально с целью точного измерения мгновенных значений напряжения и силы тока на участках волны переменного электрического сигнала продолжительностью всего лишь в несколько микросекунд. В основе измерительной цепи DTCD-анализатора лежит массив особо точных резисторов с нулевым значением собственной индуктивности.

 

Технические подробности DTCD

 

Какое оборудование использовалось при тестировании?

- 4-канальный широкополосный (100 МГц) осциллоскоп с частотой тестового сигнала 1 ГГц и функцией хранения данных

- DTCD-анализатор

 

Почему значения силы тока, отображенные на графиках, столь велики?

Вы предполагаете, что Ваш проигрыватель CD потребляет электрический ток величиной не более 1 А, а усилитель аудиосигнала –около 12 А. Как же при этом можно считать достоверными результаты тестирования кабеля электропитания, демонстрирующие токи величиной до нескольких сотен Ампер?

Ознакомьтесь с докладом о DCTD. Источники электропитания потребляют электроэнергию на протяжении не более 10% продолжительности волны переменного электрического сигнала. В течение периода потребления, т.е. в момент, когда кабель электропитания фактически осуществляет передачу электрического тока, его значение действительно может достигать нескольких сотен ампер, но после усреднения этого значения на протяжении более длительного времени оно уменьшается, в зависимости от характеристик источника и потребителя – до 20 ампер.

Замечание: При номинальном потреблении источником электропитания тока величиной 10 А, измеряемого при помощи обычного мультиметра, пиковые значения тока могут в 10-20 раз превышать номинальное, т.е. достигать 100-200 А.

 

На основании данных, приведенных на графиках, можно сделать вывод о том, что стандартный кабель электропитания создает падение напряжения величиной до 50% от исходного. Как такое возможно?

Ответ на данный вопрос практически аналогичен ответу на предыдущий. Поскольку продолжительность периода потребления крайне невелика, в цепи кабеля электропитания имеют место мгновенные изменения величины электрического тока. Обладая определенным сопротивлением, материал проводника кабеля создает препятствие течению электрического тока, чем и обусловлено падение напряжения. Разумеется, величина падения напряжения подобной природы невелика, иначе оборудование не смогло бы нормально функционировать.

В составе конструкции DTCD-анализатора используется источник напряжения величиной 30 В, которое имитирует типичную разницу между значением потенциала, накапливаемого конденсаторами источника электропитания, и пиковым значением напряжения в сети электропитания. Таким образом, на графике показано отнюдь не пиковое значение напряжения сети электропитания относительно потенциала земли.

Необходимо осознавать, что с учетом значения пик-фактора типичной сети электропитания, которое составляет порядка 1.35, пиковое значение напряжения в сети электропитания может достигать 163 В при номинальном значении 120 В. Результаты тестирования показывают, что в подобных условиях стандартный кабель электропитания может создавать падение напряжения величиной до 15 В при силе тока 130 А. Сравните эти результаты с результатами тестирования кабеля Venom-3, создающего меньшее (не более 5 В) падение напряжения при почти в два раза (230 А) величине силы тока.

Еще раз обратите внимание на то, что продолжительность периода потребления здесь составляет от 0.1 до 0.2 продолжительности волны переменного электрического сигнала, поэтому измеренное значение силы электрического тока превышает номинальное и среднеквадратическое значение в 10-20 раз. Значение силы тока, потребляемого оконечным усилителем аудиосигнала при работе на полной мощности, составляет 10 А, при этом пиковое значение силы электрического тока в период потребления может достигать 100-200 А. Если для полной зарядки конденсаторов блока электропитания в течение периода потребления требуется электрический ток силой 130 А, то обычный электрический кабель будет создавать падение напряжения величиной до 15 В. Фактически, подобное явление ощутимо повысит сопротивление цепи электропитания устройства и создаст препятствие для нормального функционирования его источника электропитания. Переходя на язык цифр, исходное значение напряжения электропитания 120 В будет фактически снижено до 110 В.

 

Не считаете ли Вы, что несколько микросекунд не являются временем, достаточным для измерения значения силы тока?

Поскольку характеристики потребления электрической энергии источниками электропитания нелинейны, фактическое потребление электроэнергии в большинстве случаев происходит в течение не более 0.1 продолжительности волны электрического сигнала. Иными словами, продолжительность периода потребления составляет от 200 до 800 микросекунд. Продолжительность явлений, иллюстрируемых приведенными ниже графиками, составляет приблизительно 50 микросекунд. Обратите внимание на тот факт, что задний фронт волны сигнала за это время практически полностью стабилизируется. Следовательно, иллюстрировать при помощи графика более продолжительный период времени необязательно, т.к. разница в характеристиках тестируемой продукции по истечении 50 микросекунд минимальна.

 

Если стандартный электрический кабель создает препятствие для передачи электрической энергии, то для полной зарядки конденсаторов источника электропитания всего лишь потребуется чуть большее время, не так ли?

Да, это так. Именно этим объясняется тот факт, что источник электропитания при этом будет функционировать в пределах заявляемых характеристик. Однако это не означает, что разница между стандартным и высококачественным электрическими кабелями не воспринимается на слух. Использование высококачественного электрического кабеля позволит сократить время зарядки конденсаторов в составе конструкции источника электропитания, следовательно, время фактической работы выпрямителей также сократится. Чем больше продолжительность сеанса зарядки конденсаторов, тем выше вероятность того, что пик электрического сигнала придется на момент, когда зарядка еще не завершена. Следовательно, заряд конденсаторов может оказаться неполным. Кроме того, падение напряжения на цепи электрического кабеля может привести к тому, что потенциал транзитных конденсаторов не будет полностью реализован.

Электрический кабель с пропускной способностью 300-400 А обеспечит значительное уменьшение времени зарядки конденсаторов по сравнению с обычным электрическим кабелем с пропускной способностью порядка 100 А. Обычный электрический кабель отличается значительной величиной собственного сопротивления и создаваемого им падения напряжения, что препятствует полной зарядке транзитных конденсаторов в составе конструкции источника электропитания. Таким образом, по истечении пика электрического сигнала процесс зарядка конденсаторов не успевает завершиться. Этим обусловлено сокращение времени пребывания источника электропитания в состоянии низкого сопротивления электрическому сигналу. Во время нахождения выпрямителей в рабочем режиме вероятность проникновения помех из сети электропитания в цепь источника электропитания увеличивается.

Обратите внимание на разницу в уровнях остаточной электрической энергии между двумя электрическими кабелями, иллюстрируемую приведенными ниже графиками. Обычный электрический кабель накапливает большее количество остаточной электрической энергии, которая сбрасывается в цепь источника электропитания по окончании периода потребления. Этот процесс повторяется около 100 раз в секунду. Уровень собственного шума, генерируемого обычным электрическим кабелем, существенно превышает значение соответствующей характеристики кабеля Venom-3. Здесь же стоит отметить, что относительно низкое собственное сопротивление кабеля Venom-3 позволяет более эффективно рассеивать помехи, генерируемые источником электропитания.

Многие европейские государства обязывают изготовителей бытовой электроники использовать в составе конструкции источников электропитания специализированные средства подавления гармоник электрического сигнала. Подобные устройства, построенные на основе усилителей и прерывателей, позволяют увеличить количество периодов потребления на одну волну переменного электрического сигнала. С учетом этого значение DTCD-анализа в будущем может вырасти. Обсужденный здесь предмет является весьма сложным и комплексным, именно поэтому мы решили уделить ему столь значительное время.

 

Графики результатов тестирования

 

Условные цветовые обозначения

Синий:                               Единичный пульс

Красный:                         Падение напряжения

Фиолетовый:                Падение напряжения на шине фазы

Зеленый:                         Падение напряжения на шине нейтрали

Оранжевый:                  Сила тока

 

 

Кабель Venom-3

 

Shunyata Venom

 

Обычный электрический кабель

standart cable

 

ULTIMA
Санкт-Петербург
Конногвардейский б-р 7
TEL. +7 812 315 00 44
info@ultima.su
www.ultima.su
by artCfira
Каталог | О компании | Пресса-публикации | Технологии | Новости | Где купить | Официальный дистрибьютор