- Baixa capacitância da ponta. A sonda ISOVP foi concebida para minimizar a capacitância da ponta, uma vez que é esta que prejudica a maioria das medições de alta frequência. Para uma determinada impedância da fonte, a capacitância da ponta atua como um filtro passa-baixo, atenuando o sinal de saída a altas frequências. Assim sendo, a capacitância da ponta deve ser um parâmetro de seleção tão importante como a largura de banda na escolha de uma sonda.
- Baixa carga de modo comum. Como a sonda óptica está completamente isolada do ambiente, a única capacitância de modo comum é a capacitância parasita da sonda para o ambiente. É importante manter a capacitância de modo comum o mais pequena possível, uma vez que os transitórios de tensão produzirão correntes de modo comum. Devido ao pequeno tamanho da sonda ISOVP, esta capacitância foi medida a cerca de 1,5 pF da sonda para um plano de terra a uma distância de 10 cm. Esta capacitância pode ser ainda menor se o utilizador escolher uma configuração diferente.
- Medições flutuantes. As medições flutuantes tornaram-se uma parte importante da eletrónica moderna e de potência, dado que as tensões de porta dos elementos de comutação (IGBTs, MOSFETs, tirístores, etc.) devem ser medidas para garantir o seu funcionamento fiável, e as topologias modernas empilham frequentemente estes semicondutores para suportar tensões mais elevadas. Dadas as distâncias de separação apropriadas entre a cabeça da sonda e o chassis, as sondas ópticas podem flutuar em segurança até dezenas de kV.
- Elevada rejeição de modo comum. Na eletrónica de potência, as altas tensões de modo comum não são apenas a norma, mas também estão a mudar rapidamente. É aqui que entram em jogo as vantagens da redução da carga de modo comum e do isolamento por fibra das sondas ópticas. As sondas diferenciais têm uma taxa de rejeição limitada que diminui rapidamente com o aumento da frequência, enquanto as sondas óticas oferecem uma rejeição melhorada.
- Comprimento do cabo selecionável. Podem ser colocados até 15 m de cabo de fibra ótica entre a cabeça da sonda e o recetor.
- Calibração a quente de zero e ganho. Devido à deriva e às variações de temperatura, os elos óticos necessitam de ser calibrados. O ISOVP calibra o offset e a amplitude do sinal enquanto a fonte permanece ligada. Isto aumenta a segurança do utilizador, pois elimina a necessidade de aceder a áreas potencialmente perigosas.
- Modo de espera e desligamento remotos. Para aumentar a segurança do utilizador e a vida útil da bateria, tanto a cabeça da sonda como o recetor podem ser colocados em modo de espera com o toque de um botão.
- Compatibilidade com todos os osciloscópios. A sonda ISOVP pode ser ligada a qualquer osciloscópio através de um cabo BNC. É necessária uma terminação interna de 50 Ohms para o funcionamento adequado da sonda, mas mesmo os osciloscópios sem esta característica podem utilizar a sonda com uma fonte de alimentação externa de 50 Ohms. Está disponível uma terminação externa opcional (código ISOVPTERM).
As sondas diferenciais têm sido a base da medição de tensão flutuante. No entanto, não são dispositivos verdadeiramente isolados; A largura de banda destes sensores é modesta e a sua rejeição de modo comum é limitada tanto por sinais de alta frequência como por fontes com impedância incompatível. Além disso, são normalmente ruidosos e inadequados para medir valores de baixa tensão. Como observação adicional, é de salientar que algumas sondas diferenciais de alta tensão podem apresentar uma degradação significativa na rejeição de modos comuns ao fim de algum tempo. Isto ocorre devido à seleção incorreta do substrato na secção divisora de alta impedância, que pode alterar as suas propriedades dielétricas sem que o utilizador consiga ajustá-las.
Medições típicas com a sonda ISOVP:
A tensão diferencial máxima de entrada da ISOVP é especificada como ±2,5 V, embora não sature para entradas ligeiramente mais elevadas. Os atenuadores x10 e x50 incluídos alargam a gama de entrada para satisfazer a maioria das necessidades práticas de medição.
O conector de entrada para a sonda ISOVP e atenuadores é do tipo SMB RF, conveniente pela sua facilidade de utilização, uma vez que está amplamente disponível, não requer um interruptor dinamométrico e pode ser ligado a cabos coaxiais comuns RG174 ou similares. A Saker recomenda a utilização de conectores SMB de boa qualidade, como o Radiall com o número de peça R114082000.
Ao ligar manualmente a cabeça da sonda, lembre-se que a unidade está fisicamente presa à unidade recetora; portanto, puxar a cabeça da sonda pode derrubar acidentalmente o recetor. Além disso, tenha cuidado para não tropeçar no cabo de fibra ótica que liga o recetor à cabeça da sonda, pois isso provavelmente fará com que ambas as unidades caiam e poderá resultar na falha do equipamento.
Os atenuadores estão incluídos com a sonda ISOVP.
Recomenda-se sempre montar a cabeça da sonda num tripé. Isto proporcionará estabilidade mecânica à sonda e garantirá uma folga adequada entre a sonda e o ambiente que a rodeia. Lembre-se sempre que todas as partes metálicas da cabeça da sonda estão ao mesmo potencial.
A unidade ISOVP é fornecida com dois cabos adaptadores, um com mini-registadores de cabos e outro sem terminação, permitindo ao utilizador fazer a ligação adequada à sua configuração específica. Os mini-registadores de cabos ligam-se facilmente a fios finos ou a pinos pequenos de CIs, como os do encapsulamento SO-8. O cabo SMB sem terminação permite ao utilizador fazer terminações adicionais. Na maioria dos cenários de medição, um conector reto típico de 2,54 mm instalado na placa proporcionará uma ligação suficiente. Estão disponíveis cabos SMB adicionais sem terminação (código ISOVPUC).
Em cima e ao centro: Cabo SMB com mini-clamps e cabo SMD sem terminação (incluído com a sonda ISOVP). Em baixo: Adaptação feita pelo cliente de um cabo SMB para um cabo com um pino reto de 2,54 mm.
Coloque a cabeça da sonda firmemente sobre uma superfície para evitar quedas acidentais; utilize cintas de fixação em plástico, se necessário. Após todas as ligações elétricas estarem efetuadas, ligue ambas as sondas. O receptor pode ser colocado numa área segura com baixa tensão. Para poupar bateria, recomenda-se colocar tanto a sonda como o receptor em modo de espera através do receptor sempre que não sejam necessárias medições. Isto pode ser feito simplesmente premindo um botão no receptor. Além disso, calibre a sonda utilizando o botão CAL antes de realizar medições de alcance e repita a calibração periodicamente, se necessário
Duas sondas ISOVP com atenuadores x10 a medir tensões de porta de IGBT num inversor multinível de média tensão. Note-se a utilização de tripés nas cabeças das sondas (imagem fornecida pelo cliente)
A temperatura ambiente muda rapidamente. O ISOVP suporta calibrações a quente, para que não tenha de desligar o dispositivo em teste (DUT).
Teste de um optoacoplador com os mini-gravadores fornecidos
Lembre-se que o receptor requer uma carga de 50 Ohms para a calibração da sonda. Se a calibração falhar, verifique se o pino central do conector BNC de entrada do osciloscópio está a fazer um bom contacto com o cabo BNC fornecido.
Medições de Baixo Nível:
A ponta de prova ISOVP é ideal para medir sinais de baixo nível, especialmente quando se utiliza um osciloscópio digital com largura de banda e taxa de amostragem excessivas.
A atenuação de 10x inerente à ponta de prova ISOVP aumenta o ruído apresentado no osciloscópio em relação ao sinal. No entanto, os osciloscópios digitais modernos possuem um modo de alta resolução útil que elimina a maior parte do ruído do sinal. Além disso, embora os osciloscópios digitais de 8 bits fossem tradicionalmente a norma, os osciloscópios com conversores analógico-digitais (ADCs) de 12 e 14 bits estão a tornar-se cada vez mais comuns. Todas estas características resultam em sinais mais nítidos e maior redução de ruído.
Como exemplo, geramos uma onda quadrada de 10 mVpp e 10 kHz e aplicamo-la à ponta de prova ISOVP sem atenuação. O osciloscópio de 8 bits foi configurado no modo de alta resolução e o resultado da medição pode ser observado na imagem seguinte. Com osciloscópios de 10, 12 ou 14 bits, a melhoria seria ainda mais notória. Medir níveis baixos como este pode ser útil para medições de ruído e ondulação.
Sinal de entrada de 10 kHz e 10 mVpp na sonda ISOVP com o osciloscópio em modo de alta resolução
Medições de Ripple:
O ripple pode ser um sinal de potenciais problemas de design e fiabilidade em alguns sistemas. O ripple é normalmente medido ao nível CC, e a maioria dos osciloscópios tem uma capacidade limitada de compensação de CC quando a escala vertical está configurada para uma sensibilidade mais elevada. As linhas de energia ou linhas onde os picos de comutação interferem podem ser o alvo das medições de ripple.
Para auxiliar nestas medições, a Saker oferece um condensador de bloqueio CC externo (código de encomenda ISOVPDC) com entrada/conectores SMB. Contém um condensador de 1µF 500V, uma tensão CC suficiente para a maioria das aplicações práticas. O limite de tensão CA para este acessório é de 20Vpk, e serve para proteger a entrada do estágio seguinte.
Medição de tensões elevadas com pontas de prova comerciais e ISOVP:
A tensão máxima mensurável com o ISOVP utilizando os atenuadores incluídos está limitada a aproximadamente 130 V. No entanto, existem situações práticas em que o utilizador pode necessitar de medir tensões mais elevadas, como as que se encontram nos condensadores de barramento, Vce de IGBT ou indutores flutuantes.
A impedância de entrada da sonda ISOVP é especificada como 1 MΩ com uma pequena capacitância em paralelo. Isto simula a impedância encontrada nos osciloscópios, tornando a sonda adequada para utilização com sondas de terceiros, como as sondas passivas x10, x100 e x1000 comuns disponíveis no mercado. A utilização de sondas x1000 de alta tensão é de particular interesse devido à vasta gama de medição que oferecem.
Uma sonda x1000 bastante conhecida no mercado é a Tektronix P6015A, com uma impedância de entrada de 100 MΩ, 3 pF e uma largura de banda de 75 MHz. A utilização desta sonda introduz também um pequeno atraso, de 15 ns para um cabo de 3 metros. A caixa de compensação de saída é compatível com osciloscópios com uma capacitância de entrada de 7 a 49 pF. Para uma precisão de pulso adequada, é crucial ajustar a caixa de compensação da sonda para corresponder à resposta de pulso do osciloscópio específico que está a ser utilizado. Para este ajuste, deve ser utilizada uma onda quadrada de 1000 V ou superior.
Uma sonda como a P6015A pode ser ligada diretamente à sonda ISOVP ou através dos atenuadores x10 ou x50. Juntos, permitirão ao utilizador realizar medições seguras em flutuação e alta tensão. A capacitância de entrada de 6 pF da sonda ISOVP, somada aos cerca de 4 pF adicionados por um adaptador BNC RF Tee, fará com que a caixa de compensação da P6015A fique dentro do seu intervalo de ajuste.
Ligação de uma sonda 1000x através de um conector T BNC. Outros tipos de sonda podem ser ligados da mesma forma. A porta BNC adicional pode ser utilizada para adicionar capacidade de compensação extra, caso a sonda a exija.
Medição de Sinais Flutuantes com Altas Tensões de Modo Comum:
As medições com diferenças entre as terras, ou tensões de modo comum, são chamadas medições flutuantes e diz-se que flutuam pela quantidade de tensão de modo comum. Uma medição flutuante ideal seria insensível a sinais de modo comum. As tensões de modo comum podem ser relativamente constantes ao longo do tempo ou variar rapidamente, como acontece nos modernos conversores de modo comutado.
As topologias modernas de eletrónica de potência dependem fortemente de semicondutores de comutação empilhados para suportar tensões mais elevadas. Topologias como CHB, NPC ou pontes H típicas são exemplos deste tipo. Neste ambiente, as medições flutuantes são essenciais para a resolução adequada de problemas, mas a maioria das pontas de prova está referenciada ao terra, deixando ao utilizador apenas a opção de pontas de prova diferenciais e as suas limitações, ou a utilização da função flutuante do osciloscópio, com os seus riscos inerentes.
Embora algumas medições pareçam estar referenciadas à terra, é melhor considerá-las como medições flutuantes, uma vez que a indutância e a resistência parasitas de um dos pontos de contacto da ponta de prova de terra afetam significativamente a medição em sistemas de corrente elevada ou de impulsos rápidos.
Em geral, os seguintes parâmetros devem ser considerados quando se realizam medições em flutuação:
● Tensão diferencial entre os pontos de sondagem.
● Impedância da fonte nos terminais de sondagem
● Tensão máxima de modo comum.
● Velocidade máxima de rotação da tensão de modo comum.
A medição de A para B será bastante afetada pelas elevadas correntes e tensões pulsadas pelas resistências e indutores parasitas (L e R) se for feita com referência à massa. A medição da tensão de porta do lado alto (LS) de C para D é típica em eletrónica de potência e exigirá uma sonda com a capacidade apropriada não só para esta tensão de modo comum específica, mas também para as velocidades de comutação geradas pelo MOSFET do lado baixo (LS).
As sondas ópticas são especialmente úteis para medições de flutuação, e a sonda ISOVP pode flutuar em segurança a milhares de volts, carregando apenas ligeiramente as pontas de prova.
O circuito apresentado na imagem seguinte foi construído como uma plataforma de teste para gerar modos comuns de grande amplitude e rápida variação. Ao limitar a corrente de comutação do MOSFET com uma resistência de drenagem de grande valor, é possível criar tensões de modo comum variáveis e de alta velocidade. Foi utilizado um MOSFET de 4,5 kV (IXTH02N450HV da Ixys) nestes testes. Um oscilador de 40 kHz alimentado por uma bateria de 1,5 V está a flutuar no dreno do MOSFET, e a sonda ISOVP está configurada para medir esta tensão diretamente, sem atenuadores.
É também mostrado um circuito de teste para gerar modos comuns de média tensão com variação rápida. A medição de um sinal de 1,5 Vpp a uma tensão de 3,6 kV representa um desafio para qualquer investigador. O oscilador e o driver não estão sincronizados.
Medições do circuito de teste. CH2: Saída do oscilador de 1,5 V (AB) medida com a ponta de prova ISOVP. CH3: Vgs do MOSFET. CH4: Vds do MOSFET
Vista detalhada do pulso de comutação. À esquerda do flanco descendente do canal 4 (CH4), o oscilador (CH2) está a flutuar a 3,6 kV e próximo de 0 à sua direita. Uma medição de tensão tão baixa é praticamente impossível de realizar com uma sonda diferencial, devido ao elevado ruído de modo comum do sinal.
Ao realizar este tipo de medição, é importante manter uma distância suficiente entre a ponta de prova e quaisquer componentes metálicos próximos do circuito. Quanto mais rápida for a variação de tensão (dV/dt), maior será a corrente de fuga para uma determinada capacitância de modo comum.
À esquerda: Detalhe do flanco descendente do dreno do MOSFET. CH3: Vgs do MOSFET. CH4: Vds do MOSFET, com uma taxa de variação superior a 35 kV/µs.
R1: Saída do oscilador captada com uma ligeira distorção de 0,2 V
devido à interferência de modo comum no momento da comutação.
À direita: A mesma medição do gráfico da esquerda, mas com 500V em vez de 3600
Relativamente à CMRR das pontas de prova:
Uma ponta de prova perfeita apenas detetaria a componente de tensão desejada e rejeitaria toda a componente de tensão de modo comum. Geralmente, as pontas de prova com referência à terra não podem ser utilizadas quando existem modos comuns presentes, a menos
que o próprio osciloscópio esteja isolado. Por isso, a solução tradicional tem sido a ponta de prova diferencial. A taxa de rejeição de modo comum (CMRR) é uma medida de quanto o amplificador rejeita a tensão de modo comum em relação à tensão diferencial. Sabe-se que as pontas de prova diferenciais têm uma CMRR insatisfatória a altas frequências, e o problema agrava-se se a impedância da fonte for irregular. Nas pontas de prova ópticas, o amplificador é de terminação única e, como é flutuante e não há retorno de terra, um desequilíbrio nas impedâncias da fonte não piora a CMRR.
Tipicamente, a CMRR diminui à medida que a frequência aumenta. Por razões históricas e de facilidade de utilização, a CMRR tem sido medida através de um tom de frequência variável. No entanto, em aplicações práticas, ninguém mede ondas sinusoidais puras, mas sim sinais pulsados com múltiplas componentes de frequência. Na realidade, uma métrica de desempenho baseada na taxa de variação (slew rate) seria mais útil para o desenvolvedor.
Na prática, as medições de CMRR versus frequência são utilizadas principalmente para comparar o desempenho entre diferentes fabricantes e como ferramenta de marketing. No entanto, mesmo para esta aplicação, apresentam limitações. Por exemplo, não existe uma configuração de teste clara e padronizada que os fabricantes devam seguir, como o nível de potência do tom aplicado como sinal de modo comum. O CMRR depende também da gama de tensão de entrada da sonda; é, os valores de CMRR diferem para sondas com uma gama de entrada de ±0,5 V, ±1 V ou ±10 V. Por fim, alguns fabricantes incluem a atenuação inerente da sonda no CMRR para que os números pareçam mais favoráveis.
Dicas e truques gerais de medição
: Lembre-se dos valores-chave para cada medição. Sempre que for feita uma medição com a sonda ISOVP, devem ser considerados os valores mais relevantes. Estes valores devem ser comparados para evitar exceder os valores máximos dos atenuadores e da sonda, garantindo assim a segurança do operador.
- Tensão diferencial máxima a medir
-
Tensão de modo comum da fonte - Frequência de comutação da tensão de modo comum - Impedâncias da fonte
- Certifique-se de que a cabeça da sonda e o receptor estão seguros. Ambas as unidades estão ligadas por cabos de fibra ótica, pelo que deve ter cuidado ao posicionar manualmente uma unidade, uma vez que a outra pode ser derrubada acidentalmente. Além disso, ao posicionar ambas as unidades, é possível tropeçar nos cabos de fibra ótica. Assim, é aconselhável, por exemplo, fixar o tripé da cabeça da sonda com plástico, uma tira de velcro ou algo semelhante. Ambas as unidades contêm componentes eletro-ópticos sensíveis que podem ser danificados por choque mecânico.
- Mantenha as distâncias de segurança. Toda a cabeça da sonda é blindada opticamente e pode potencialmente flutuar a milhares de volts. Um máximo de 50 kV foi testado para o ISOVP. No entanto, o utilizador deve garantir uma distância adequada, considerando a tensão e a frequência de comutação do modo comum. Frequências de modo comum mais elevadas criarão correntes de fuga para a terra maiores. Utilize sempre um tripé de plástico não condutor para aumentar a distância entre a sonda e quaisquer superfícies condutoras próximas.
Mantenha as ligações da sonda curtas. As técnicas gerais de sondagem aplicam-se ao realizar medições com a sonda ISOVP. Deve-se ter um cuidado redobrado ao ligar a sonda quando os circuitos geram grandes oscilações de dI/dt ou dV/dt. Os campos elétricos acoplam em linhas não blindadas e os campos magnéticos criam diferenças de tensão nos loops elétricos. Por conseguinte, é geralmente melhor transmitir o sinal medido por um cabo coaxial na maior parte da distância entre os pontos de contacto da sonda e a entrada do atenuador. O cabo coaxial não terminado fornecido pode ser utilizado para adaptar terminações específicas de coaxial à placa, tais como conectores coaxiais, pinos de 2 pinos ou terminais de anel de cravação.
Não se esqueça do modo de espera. Quando a sonda não estiver a ser utilizada, utilize a função de espera, que coloca o receptor e a cabeça da sonda em modo de baixo consumo de energia. Na maioria das vezes, as medições são apenas necessárias durante um curto período. A cabeça da sonda deve ser alimentada por bateria devido aos requisitos de isolamento, e o seu consumo de energia é superior ao do recetor devido aos requisitos de transmissão ótica.
- Utilize a função de autocalibração. Esta função ajusta o offset e o ganho da sonda. A utilização desta função demora apenas alguns segundos e pode ser feita a qualquer momento sem desligar o sinal de entrada, pelo que se recomenda a sua utilização a cada poucos minutos e imediatamente antes de qualquer medição importante.
