イントロダクション
アナログ エレクトロニクスは、現代の回路設計において重要な役割を果たしています。デジタルエレクトロニクスの普及に伴い、新卒者のアナログスキルとデジタルスキルの差はさらに拡大しています。電気技術者にとって最も重要なアナログ概念の 1 つは、回路内の電力と電力管理です。デジタル エンジニアリングがどのようになろうとも、電力の概念と、それが今日設計および使用しているテクノロジにどのような影響を与えるかをしっかりと理解することは、どの学生にとっても常に重要なスキルです。
電源管理を教えることがなぜ重要なのか
携帯性、エネルギー効率、サイズ、コストは、現代の電子製品の設計において重要な要素です。電力管理は、AC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ、バッテリー管理などの概念を通じて高度に統合された設計をサポートする方法を教えてくれます。これにより、さまざまな電圧と電流のニーズを持つ機能の増加に対応できます。これらの傾向が高まり続けるにつれて、この知識に対する業界の需要も高まります。電力管理の理解を深めることで恩恵を受けるのは、電気エンジニアだけではありません。自動車業界の電気自動車（EV）のような急速に拡大している産業分野では、電力システムのコアコンセプトを深く理解することが極めて重要です。EVは、航続距離、効率、バッテリー電源からの電力のバランスがすべてです。電力エンジニアはこれらの設計の中核を担っていますが、チームのどのメンバーもシステムレベルでの電力に関する実用的な知識を持つことが重要です。設計を作成することと、それが期待どおりに機能することを確認することは別物であり、回路設計とラボテストが連携する部分です。優れた電力ソリューションは、サイズ、コスト、効率、精度、応答性、およびレギュレーションを考慮しています。学生や教授は、ラボ内外で利用できる手頃な価格のDC/DCコンバータ教育ボードとテスト機器を利用できるようになりました。TI-PMLK Wurth Elektroniksの電力教育ボードは、最も一般的なタイプの電力コンバータである降圧（バック）コンバータの実践的な知識を提供します。TI-PMLK Wurth EditionとLiquid InstrumentsのMoku:Goは、DC/DC電力教育のための完全なソリューションを提供します。Moku:Goは、15種類以上の計測器を搭載した統合テストプラットフォームで、ソフトウェアのアップグレードにより今年中にさらに多くの計測器が追加される予定です。また、WiFiホットスポットやUSB-Cなどの幅広い接続オプションに加え、DC/DC設計のすべてのパラメータを検証できるプログラマブル電源も備えており、学生が電力管理理論を実際のアプリケーションに結びつけるのに役立ちます。
Moku:Go はどのようにしてパワー教育をよりアクセスしやすく、手頃な価格にするのでしょうか?
パワー エレクトロニクスなどの高度な大学の研究室でよくある問題は、パワー ソリューションの指導とテストに必要な機器の手頃な価格のオプションが不足していることです。単一の降圧コンバータをテストするために必要な機器には、次のものが含まれます。
- 電源 [×1]
- 電子負荷 [×1]
- デジタルマルチメータ [×4]
- オシロスコープ [×1] 電圧および電流プローブ付き
- スペクトラムアナライザー [×1]
このセットアップにはかなりのスペースも必要になります。というのも、リストアップされているテスト機器はすべて通常、それぞれ異なるノブやダイヤルを備えた個別のボックスになっているため、使い方を覚える必要があるからです。パワーエレクトロニクスのコースを受講する学生は、一般的に工学プログラムの3年生か4年生で、これらの機器のほとんどに精通していると思われますが、パワーエレクトロニクスの実験室で必要なさまざまな測定を行うために、個々のボックスをセットアップしてそれらを頻繁に切り替えるのは面倒です。Moku:Goは、手頃な価格で使いやすい、パワーエレクトロニクス教育におけるこれらの問題に対する優れたソリューションです。前述のテストベンチのセットアップの大部分を置き換えることができ、オシロスコープ、スペクトラムアナライザ、電源などとして使用できます。これは、ソフトウェアの再構成によって1つまたは複数の機器として使用できるFPGAのパワーによって可能になります。 TI-PMLK Wurth Elektronik Editionに含まれるLM3475レギュレータを使用して降圧コンバータの効率を測定することで、この統合テストベンチがラボのセットアップと測定プロセスの両方を簡素化するためにどのように使用できるかを簡単に見ていきましょう。
Moku:Go を使用した LM3475 レギュレーターの効率の測定
パワーコンバータの効率を測定するには、コンバータの入力電力と出力電力を知る必要があります。これには、入力電力を供給する電源、電力を引き出す電子負荷、時間領域で電圧信号を表示するオシロスコープ、入力と出力の両方で 2 つの測定電圧と 2 つの測定電流を備えた 4 つのマルチメータが必要です。通常、これは 7 つの個別のボックスをセットアップすることを意味します。
図 1: LM3475 レギュレータでの測定のための実験セットアップ
図 2: Moku:Go を使用した LM3476 レギュレーターの測定のための実験セットアップ しかし、この測定にMoku:Goを使用する場合、セットアップが必要な機器は2つだけです。この場合、Moku:Goは電源、4つのデジタルマルチメータ、およびオシロスコープとして機能し、電源は複製されて図2に示すように背面に配置されています。各アクティブ機器は単一のソフトウェア環境に統合され、1つの画面で表示できるため、効率測定を行うためのソフトウェアのセットアップは数分で完了します。数回クリックするだけで、この新しいテストベンチは前述の6つの機器すべてで構成されるように再構成され、各機器のデータは下の図3のように表示されます。
図 3: Moku Windows ソフトウェア測定セットアップ 上の図からわかるように、必要なデータはすべて1つの画面に表示され、ワットへの単位変換も既に行われています。左側の電源画面には入力電圧と電流が表示され、オシロスコープの平均トラッキングカーソルには出力電圧と電流が表示されます。この演習の最後のステップは、入力電力と出力電力の値を以下の効率式(1)に代入することです。
(1) 上の図 3 の情報を使用すると、500 mA の負荷を消費する場合のこのコンバータの効率は約 86% になります。
製品概要
パワーエレクトロニクス教育ツールと組み合わせることで、 TI-PMLK Wurth Elektronik エディション 液体計器の Moku:Go、お手頃で便利なラボが実現できます。電子負荷を除いた大学向けのこのテストベンチ全体は、はるかに手頃な価格であり、学生が使用できるように数分でセットアップできます。電力管理スキルがすぐになくなることはなく、パワー エレクトロニクス研究室向けのこのポータブル ソリューションにより、学生はほぼどこでもこれらのスキルを学ぶことができます。