- Bassa capacità della punta. La sonda ISOVP è stata progettata per minimizzare la capacità della punta, poiché è questa che compromette la maggior parte delle misurazioni ad alta frequenza. Per una data impedenza di sorgente, la capacità della punta agisce come un filtro passa-basso, attenuando il segnale di uscita alle alte frequenze. Pertanto, la capacità della punta dovrebbe essere un parametro di selezione importante quanto la larghezza di banda nella scelta di una sonda.
- Basso carico di modo comune. Poiché la sonda ottica è completamente isolata dall'ambiente, l'unica capacità di modo comune è la capacità parassita dalla sonda all'ambiente. È importante mantenere la capacità di modo comune il più bassa possibile, poiché i transitori di tensione produrranno correnti di modo comune. Grazie alle piccole dimensioni della sonda ISOVP, questa capacità è stata misurata a circa 1,5 pF dalla sonda a un piano di massa a una distanza di 10 cm. Questa capacità può essere ulteriormente ridotta se l'utente sceglie una configurazione diversa.
- Misurazioni flottanti. Le misurazioni flottanti sono diventate una parte importante dell'elettronica moderna e di potenza, poiché le tensioni di gate degli elementi di commutazione (IGBT, MOSFET, tiristori, ecc.) devono essere misurate per il loro funzionamento affidabile e le topologie moderne spesso impilano questi semiconduttori per gestire tensioni più elevate. Date le opportune distanze di separazione tra la testa della sonda e il telaio, le sonde ottiche possono operare in sicurezza fino a decine di kV.
- Elevata reiezione di modo comune. Nell'elettronica di potenza, non solo le alte tensioni di modo comune sono la norma, ma cambiano anche rapidamente. È qui che entrano in gioco i vantaggi del carico di modo comune e dell'isolamento in fibra delle sonde ottiche. Le sonde differenziali hanno un rapporto di reiezione limitato che diminuisce rapidamente con l'aumentare della frequenza, mentre le sonde ottiche offrono una reiezione migliore.
- Lunghezza del cavo selezionabile. È possibile posizionare fino a 15 m di cavo in fibra ottica tra la testa della sonda e il ricevitore.
- Calibrazione a caldo di zero e guadagno. A causa della deriva e delle variazioni di temperatura, i collegamenti ottici devono essere calibrati. L'ISOVP calibra l'offset e l'ampiezza del segnale mentre la sorgente rimane collegata. Ciò aumenta la sicurezza dell'utente, poiché elimina la necessità di accedere ad aree potenzialmente pericolose.
- Standby e spegnimento remoti. Per aumentare la sicurezza dell'utente e la durata della batteria, sia la testa della sonda che il ricevitore possono essere messi in modalità standby premendo un pulsante.
- Compatibilità con tutti gli oscilloscopi. La sonda ISOVP può essere collegata a qualsiasi oscilloscopio tramite un cavo BNC. Per il corretto funzionamento della sonda è necessaria una terminazione interna da 50 Ohm, ma anche gli oscilloscopi sprovvisti di questa caratteristica possono utilizzare la sonda con un alimentatore esterno da 50 Ohm. È disponibile una terminazione esterna opzionale (codice ISOVPTERM).
Le sonde differenziali sono state la pietra angolare della misurazione della tensione flottante. Tuttavia, non sono veri dispositivi isolati; La loro larghezza di banda è modesta e il loro rifiuto di modo comune è limitato sia dai segnali ad alta frequenza che dalle sorgenti con impedenza non adattata. Inoltre, sono spesso rumorosi e inadatti alla misurazione di bassi valori di tensione. Come ulteriore osservazione, va notato che alcune sonde differenziali ad alta tensione possono presentare un significativo degrado del rifiuto di modo comune dopo un certo periodo di tempo. Ciò è dovuto a una selezione errata del substrato nella sezione del divisore ad alta impedenza, che può modificarne le proprietà dielettriche senza che l'utente possa regolarle.
Misurazioni tipiche con la sonda ISOVP:
la tensione di ingresso differenziale massima dell'ISOVP è specificata come ±2,5 V, sebbene non si verifichi saturazione per ingressi leggermente superiori. Gli attenuatori x10 e x50 inclusi estendono la gamma di ingresso per coprire la maggior parte delle esigenze di misurazione pratiche.
Il connettore di ingresso per la sonda ISOVP e gli attenuatori è di tipo SMB RF, comodo per la sua facilità d'uso, in quanto ampiamente disponibile, non richiede una chiave dinamometrica e può essere collegato a comuni cavi coassiali RG174 o simili. Saker raccomanda di utilizzare connettori SMB di buona qualità, come il codice articolo Radiall R114082000.
Quando si collega manualmente la sonda, tenere presente che l'unità è fisicamente collegata all'unità ricevente, quindi tirare la sonda potrebbe accidentalmente far cadere il ricevitore. Inoltre, fare attenzione a non inciampare nel cavo in fibra ottica che collega il ricevitore alla sonda, poiché ciò potrebbe causare la caduta di entrambe le unità e provocare un malfunzionamento dell'unità stessa.
Gli attenuatori sono inclusi con la sonda ISOVP.
Si raccomanda sempre di montare la testa della sonda su un treppiede. Ciò conferirà stabilità meccanica alla sonda e garantirà un'adeguata distanza tra la sonda e l'ambiente circostante. Ricordare sempre che tutte le parti metalliche della testa della sonda si trovano allo stesso potenziale.
L'unità ISOVP viene fornita con due cavi adattatori, uno con registratori mini-cavo e l'altro non terminato, che consentono all'utente di effettuare il collegamento appropriato per la propria configurazione specifica. I registratori mini-cavo si collegano facilmente a fili sottili o piccoli pin di circuiti integrati, come quelli presenti nel package SO-8. Il cavo SMB non terminato consente all'utente di effettuare terminazioni aggiuntive. Nella maggior parte degli scenari di misurazione, un tipico connettore dritto da 2,54 mm installato sulla scheda sarà sufficiente per il collegamento. Sono disponibili cavi SMB non terminati aggiuntivi (codice articolo ISOVPUC).
In alto e al centro: cavo SMB con mini-morsetti e cavo SMD non terminato (incluso con la sonda ISOVP). In basso: adattamento da parte del cliente di un cavo SMB a un cavo con pin dritti da 2,54 mm.
Posizionare saldamente la sonda su una superficie per evitare cadute accidentali; se necessario, utilizzare delle fascette di fissaggio in plastica. Una volta effettuati tutti i collegamenti elettrici, accendere entrambe le sonde. Il ricevitore può essere collocato in un'area sicura a bassa tensione. Per risparmiare la batteria, si consiglia di mettere sia la sonda che il ricevitore in modalità standby tramite il ricevitore quando non sono necessarie misurazioni. Questa operazione può essere eseguita semplicemente premendo un pulsante sul ricevitore. Inoltre, calibrare la sonda utilizzando il pulsante CAL prima di effettuare le misurazioni di distanza e ripetere l'operazione periodicamente, se necessario
Due sonde ISOVP con attenuatori x10 per la misurazione delle tensioni di gate degli IGBT in un inverter multilivello di media tensione. Si noti l'utilizzo di treppiedi sulle teste delle sonde (immagine fornita dal cliente)
La temperatura ambiente varia rapidamente. L'ISOVP supporta le calibrazioni a caldo, quindi non è necessario scollegare il dispositivo in prova (DUT).
Test di un optoaccoppiatore con i mini-registratori in dotazione
Ricorda che il ricevitore richiede un carico di 50 Ohm per la calibrazione della sonda. Se la calibrazione non riesce, verifica che il pin centrale del connettore BNC di ingresso dell'oscilloscopio sia ben a contatto con il cavo BNC in dotazione.
Misurazioni a basso livello:
la sonda ISOVP è particolarmente adatta per la misurazione di segnali a basso livello, soprattutto quando si utilizza un oscilloscopio digitale con larghezza di banda e frequenza di campionamento elevate.
L'attenuazione 10x intrinseca della sonda ISOVP aumenta il rumore visualizzato sull'oscilloscopio rispetto al segnale. Tuttavia, i moderni oscilloscopi digitali dispongono di un'utile modalità ad alta risoluzione che elimina la maggior parte del rumore dal segnale. Inoltre, mentre gli oscilloscopi digitali a 8 bit erano tradizionalmente la norma, gli oscilloscopi con ADC a 12 e 14 bit stanno diventando sempre più comuni. Tutte queste caratteristiche si traducono in segnali più chiari e una maggiore riduzione del rumore.
Ad esempio, abbiamo generato un'onda quadra a 10 mVpp e 10 kHz e l'abbiamo inviata alla sonda ISOVP senza attenuazione. L'oscilloscopio a 8 bit era impostato in modalità ad alta risoluzione e il risultato della misurazione è visibile nell'immagine seguente. Con oscilloscopi a 10, 12 o 14 bit, il miglioramento sarebbe più evidente. La misurazione di livelli bassi come questi può essere utile per le misurazioni del rumore e delle ondulazioni.
Ingresso del segnale a 10 kHz e 10 mVpp alla sonda ISOVP con l'oscilloscopio in modalità Hi-Res
Misurazioni dell'ondulazione:
l'ondulazione può essere un segnale di potenziali problemi di progettazione e affidabilità in alcuni sistemi. L'ondulazione viene tipicamente misurata a livello CC e la maggior parte degli oscilloscopi ha una capacità di compensazione CC limitata quando la scala verticale è impostata su un valore più sensibile. Le linee elettriche o le linee in cui interferiscono i picchi di commutazione potrebbero essere oggetto di misurazioni dell'ondulazione.
Per facilitare queste misurazioni, Saker offre un condensatore di blocco CC esterno (codice d'ordine ISOVPDC) con ingresso/connettori SMB. Contiene un condensatore da 1 µF 500 V, una tensione CC sufficiente per la maggior parte delle applicazioni pratiche. Il limite di tensione CA per questo accessorio è di 20 Vpk e serve a proteggere l'ingresso dello stadio successivo.
Misurazione di alte tensioni con sonde commerciali e ISOVP:
la tensione massima misurabile con l'ISOVP utilizzando gli attenuatori inclusi è limitata a circa 130 V. Tuttavia, esistono situazioni pratiche in cui un utente potrebbe aver bisogno di misurare tensioni più elevate, come quelle presenti sui condensatori di bus, sulla Vce degli IGBT o sugli induttori flottanti.
L'impedenza di ingresso della sonda ISOVP è specificata a 1 MΩ con una piccola capacità in parallelo. Questa configurazione simula l'impedenza degli oscilloscopi, rendendo la sonda adatta all'uso con sonde di terze parti, come le comuni sonde passive x10, x100 e x1000 disponibili sul mercato. L'utilizzo di sonde x1000 ad alta tensione è di particolare interesse per l'ampio intervallo di misura che offrono.
Una nota sonda x1000 sul mercato è la Tektronix P6015A, con un'impedenza di ingresso di 100 MΩ, 3 pF e una larghezza di banda di 75 MHz. L'utilizzo di questa sonda introduce anche un certo ritardo, pari a 15 ns per un cavo di 3 metri. La scatola di compensazione in uscita può ospitare oscilloscopi con una capacità di ingresso da 7 a 49 pF. Per una corretta precisione degli impulsi, è fondamentale regolare la scatola di compensazione della sonda in modo che corrisponda alla risposta impulsiva dello specifico oscilloscopio utilizzato. Per questa regolazione è necessario utilizzare un'onda quadra da 1000 V o superiore.
Una sonda come la P6015A può essere collegata direttamente alla sonda ISOVP o tramite gli attenuatori x10 o x50. Insieme, questi consentiranno all'utente di eseguire misurazioni in sicurezza sia in modalità flottante che ad alta tensione. La capacità di ingresso di 6 pF della sonda ISOVP, più i circa 4 pF aggiunti da un adattatore BNC RF Tee, porteranno la scatola di compensazione della P6015A all'interno del suo intervallo di regolazione.
Collegamento di una sonda 1000x tramite un connettore a T BNC. Altri tipi di sonde possono essere collegati allo stesso modo. La porta BNC aggiuntiva può essere utilizzata per aggiungere funzionalità di compensazione extra, se la sonda lo richiede.
Misurazione di segnali flottanti con tensioni di modo comune elevate:
le misurazioni con differenze tra masse, o tensioni di modo comune, sono dette misurazioni flottanti e si dice che la loro differenza di valore sia pari alla tensione di modo comune. Una misurazione flottante ideale sarebbe insensibile ai segnali di modo comune. Le tensioni di modo comune possono essere abbastanza costanti nel tempo o variare rapidamente, come accade nei moderni convertitori a commutazione.
Le moderne topologie di elettronica di potenza si basano in gran parte su semiconduttori di commutazione impilati per gestire tensioni più elevate. Topologie come CHB, NPC o i tipici ponti H sono esempi di questo tipo. In questo contesto, le misurazioni flottanti sono essenziali per una corretta risoluzione dei problemi, ma la maggior parte delle sonde è riferita a massa, lasciando all'utente la sola scelta tra sonde differenziali e i loro limiti, oppure la modalità flottante dell'oscilloscopio, con i rischi intrinseci che ne derivano.
Sebbene alcune misurazioni sembrino essere riferite a massa, è preferibile considerarle come misurazioni flottanti, poiché l'induttanza e la resistenza parassite di uno dei punti di massa della sonda influenzano notevolmente la misurazione in sistemi ad alta corrente o a impulsi rapidi.
In generale, durante le misurazioni in galleggiamento è necessario considerare i seguenti parametri:
● Tensione differenziale tra i punti di sondaggio.
● Impedenza della sorgente ai terminali di sondaggio
● Tensione di modo comune massima.
● Velocità di rotazione massima della tensione di modo comune.
La misurazione da A a B sarà fortemente influenzata dalle elevate correnti e tensioni pulsate dai resistori e resistenze parassiti se effettuata con riferimento a massa. La misurazione della tensione di gate lato alto da C a D è tipica nell'elettronica di potenza e richiederà una sonda con la capacità appropriata non solo per quella particolare tensione di modo comune, ma anche per le velocità di commutazione create dal MOSFET lato basso (LS).
Le sonde ottiche sono particolarmente utili per le misurazioni flottanti e la sonda ISOVP può funzionare in sicurezza a migliaia di volt caricando solo leggermente le punte della sonda.
Il circuito mostrato nell'immagine seguente è stato realizzato come piattaforma di test per la generazione di modi comuni ampi e a rapida variazione. Limitando la corrente di commutazione del MOSFET con una resistenza di drain di grande valore, è possibile creare tensioni di modo comune variabili ad alta velocità. In questi test è stato utilizzato un MOSFET da 4,5 kV (IXTH02N450HV di Ixys). Un oscillatore a 40 kHz alimentato da una batteria da 1,5 V è collegato in modo flottante al drain del MOSFET e la sonda ISOVP è configurata per misurare direttamente questa tensione senza attenuatori.
Viene mostrato anche un circuito di test per la generazione di modi comuni a media tensione a rapida variazione. Misurare un segnale di 1,5 Vpp a una tensione di 3,6 kV rappresenta una sfida per qualsiasi ricercatore. L'oscillatore e il driver non sono sincronizzati.
Misure del circuito di prova. CH2: Uscita dell'oscillatore a 1,5 V (AB) misurata con la sonda ISOVP. CH3: Vgs del MOSFET. CH4: Vds del MOSFET
Vista dettagliata dell'impulso di commutazione. A sinistra del fronte di discesa di CH4, l'oscillatore (CH2) è flottante a 3,6 kV e quasi a 0 alla sua destra. Una misurazione di tensione così bassa è pressoché impossibile da eseguire con una sonda differenziale, dato l'elevato rumore di modo comune del segnale.
Quando si eseguono questo tipo di misurazioni, è importante mantenere una distanza sufficiente tra la sonda e qualsiasi parte metallica vicina al circuito. Più rapido è il dV/dt, maggiore è la corrente di dispersione per una data capacità di modo comune.
A sinistra: Dettaglio del fronte di discesa del drain del MOSFET. CH3: MOSFET Vgs. CH4: MOSFET Vds, con una velocità di variazione superiore a 35 kV/µs.
R1: Uscita dell'oscillatore catturata con una leggera distorsione di 0,2 V
dovuta all'interferenza di modo comune in fase di commutazione.
A destra: Stessa misurazione del grafico a sinistra, ma con 500 V anziché 3600
Per quanto riguarda il CMRR delle sonde:
una sonda ideale rileverebbe solo la componente di tensione desiderata e scarterebbe tutta la componente di tensione di modo comune. Generalmente, le sonde riferite a massa non possono essere utilizzate in presenza di modi comuni, a meno che l'oscilloscopio stesso
non sia isolato. Pertanto, la soluzione tradizionale è stata la sonda differenziale. Il rapporto di reiezione di modo comune (CMRR) è una misura di quanto l'amplificatore scarti la tensione di modo comune rispetto alla tensione differenziale. È noto che le sonde differenziali presentano un CMRR non ottimale alle alte frequenze, e il problema si aggrava se l'impedenza della sorgente è disomogenea. Nelle sonde ottiche, l'amplificatore è single-ended e, poiché è flottante e non vi è ritorno a massa, uno squilibrio nelle impedenze della sorgente non peggiora il CMRR.
Tipicamente, il CMRR diminuisce all'aumentare della frequenza. Per ragioni storiche e di semplicità d'uso, il CMRR è stato misurato utilizzando un tono a frequenza variabile. Tuttavia, nelle applicazioni reali, nessuno misura onde sinusoidali pure, bensì segnali pulsati con molteplici componenti di frequenza. In realtà, una metrica di prestazione basata sulla velocità di variazione (slew rate) sarebbe più utile per lo sviluppatore.
In pratica, le misurazioni del CMRR in funzione della frequenza vengono utilizzate principalmente per confrontare le prestazioni tra diversi produttori e come strumento di marketing. Tuttavia, anche per questa applicazione, presentano delle limitazioni. Innanzitutto, non esiste una configurazione di test chiara e standardizzata a cui i produttori debbano attenersi, come ad esempio il livello di potenza del tono applicato come segnale di modo comune. Il CMRR dipende anche dall'intervallo di tensione di ingresso della sonda; ovvero, i valori di CMRR sarebbero diversi per sonde con un intervallo di ingresso di ±0,5 V, ±1 V o ±10 V. Infine, alcuni produttori includono l'attenuazione intrinseca della sonda nel CMRR per far apparire i valori più favorevoli.
Suggerimenti e trucchi generali per le misurazioni
: Ricordate i valori chiave per ogni misurazione. Ogni volta che si effettua una misurazione con la sonda ISOVP, è necessario considerare i valori più rilevanti. Questi valori devono essere confrontati per evitare di superare i valori massimi degli attenuatori e della sonda, garantendo così la sicurezza del personale.
- Tensione differenziale massima da misurare
-
Tensione di modo comune della sorgente - Frequenza di commutazione della tensione di modo comune - Impedenze di sorgente
- Assicurarsi che la testa della sonda e il ricevitore siano fissati saldamente. Entrambe le unità sono collegate tramite cavi in fibra ottica, quindi è necessario prestare attenzione quando si posiziona manualmente un'unità, poiché l'altra potrebbe essere accidentalmente rovesciata. Inoltre, durante il posizionamento di entrambe le unità, è possibile inciampare nei cavi in fibra ottica. Pertanto, si consiglia, ad esempio, di fissare il treppiede della testa della sonda con plastica, una cinghia in velcro o qualcosa di simile. Entrambe le unità contengono componenti elettro-ottici sensibili che possono essere danneggiati da urti meccanici.
- Mantenere distanze di sicurezza. L'intera testa della sonda è schermata otticamente e può potenzialmente fluttuare a migliaia di volt. Per l'ISOVP è stato testato un massimo di 50 kV. Tuttavia, l'utente deve assicurarsi di avere una distanza di sicurezza adeguata in base alla tensione e alla frequenza di commutazione di modo comune. Frequenze di modo comune più elevate creeranno correnti di dispersione verso terra maggiori. Utilizzare sempre un treppiede in plastica non conduttiva per aumentare la distanza tra la sonda e qualsiasi superficie conduttiva vicina.
Mantenere i collegamenti della sonda corti. Le tecniche di misurazione generali si applicano quando si effettuano misurazioni con la sonda ISOVP. È necessario prestare maggiore attenzione durante i collegamenti della sonda quando i circuiti generano ampie oscillazioni dI/dt o dV/dt. I campi elettrici si accoppiano nelle linee non schermate e i campi magnetici creano differenze di potenziale nei circuiti elettrici. Pertanto, in genere è preferibile trasmettere il segnale misurato tramite un cavo coassiale per la maggior parte della distanza tra i punti di misurazione e l'ingresso dell'attenuatore. Il cavo coassiale non terminato in dotazione può essere utilizzato per adattare terminazioni coassiali specifiche per circuiti stampati, come connettori coassiali, connettori a 2 pin o terminali ad anello a crimpare.
Non dimenticare la modalità standby. Quando la sonda non è in uso, utilizzare la funzione standby, che mette il ricevitore e la testa della sonda in modalità a basso consumo. Nella maggior parte dei casi, le misurazioni sono necessarie solo per brevi periodi. La testa della sonda deve essere alimentata a batteria per motivi di isolamento e il suo consumo energetico è superiore a quello del ricevitore a causa dei requisiti di trasmissione ottica.
- Utilizzare la funzione di autocalibrazione. Questa funzione regola l'offset e il guadagno della sonda. L'utilizzo di questa funzione richiede solo pochi secondi e può essere effettuato in qualsiasi momento senza disconnettere il segnale di ingresso, pertanto si consiglia di utilizzarla ogni pochi minuti e immediatamente prima di qualsiasi misurazione importante.
