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FFT解析機能を利用したリプル電流測定方法

アルミ電解コンデンサの寿命計算などで使用するリプル電流実効値を測定するには、オシロスコープのFFT機能を用いる手法が有用です。
ここでは動画を使用して実際の手順を解説します。
複数の周波数成分が重畳される例
アルミ電解コンデンサを力率改善回路(PFC)などで使用した場合、整流後の商用電源周波数(100Hzまたは120Hz)とスイッチング素子に起因する高周波が混ざり合ったリプル電流が重畳されます。
DC/DC電源の場合にも複数のスイッチング周波数成分や高調波に伴う複雑な周波数成分を持つリプル電流が重畳されます。
これらの場合、波形からリプル電流実効値を算出することは難しいのが実情です。
FFT解析
オシロスコープにFFT解析機能が搭載されている場合、周波数毎にリプル電流実効値を算出可能であり、その値を合計することで特定の周波数(120Hzなど定格リプル電流規定の周波数)に換算したリプル電流実効値を求めることが出来ます。
FFTは高速フーリエ変換(Fast Fourier Transform)の略で、周波数とリプル電流実効値で解析した場合には測定された波形を周波数毎に分離して実効値を算出することが出来ます。

フーリエ変換の概念
フーリエ変換の概念

手順
【機材選定のポイント】
  • オシロスコープ
    レコード長が100k以上の機種を使用してください。
  • 電流プローブ
    回路の周波数帯によって、ACプローブとDCプローブを使い分けます。
  • 延長ケーブル
    電流プローブを取りつけるときにコンデンサのリード線を延長する場合にはインピーダンスへの影響を軽減する為に太径のケーブルを使用してください。
【オシロスコープの操作】
  1. コンデンサの端子をケーブルで延長し、電流プローブを装着します。
    Lead wire clamp
  2. 想定される負荷条件で回路を動作させ、オシロスコープに整数倍の波形周期が表示される状態にします。

    波形周期が整数倍表示になっていない場合、FFT変換後のリプル電流が正しく見積もられないケースがありますので、ご注意ください。

    整数倍の波形周期
    波形周期が整数倍で表示されている例
    整数倍ではない波形周期
    整数倍の波形周期になっていない例
    (左右の波が途切れている)
  3. オシロスコープのFFT解析機能でタイムドメインから周波数ドメインへ変換してください。
    ポイントはLiner RMSで表示することです。
【FFT解析データの処理】
  1. オシロスコープからデータをエクスポートします。
    CSV形式などのフォーマットで外部出力すると便利です。
  2. エクスポートしたデータを表計算ソフトで開き、X軸を周波数、Y軸をリプル電流実効値にして散布図を作成します。
  3. 散布図からスペクトラムのピーク値と周波数を読み取ります。
    この値が各周波数のリプル電流実効値となります。
【コンデンサ発熱計算への利用】
ここまでに算出したリプル電流実効値を使用して、コンデンサの自己発熱を求めます。
  1. 周波数補正係数を使用して、FFT解析で測定した各周波数のリプル電流実効値を使用するコンデンサのリプル電流規定周波数(シリーズにより120Hzまたは100kHzなど)へ換算します
  2. 周波数補正したリプル電流実効値を合成します。
  3. 定格リプル電流と、周波数補正されたリプル電流測定値を使用して発熱値を計算します。
    測定したリプル電流値からコンデンサの発熱を計算する方法は「アルミ電解コンデンサの寿命」に関する記事で詳しく説明しています。

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