- Bassa capacità della punta. La sonda ISOVP è stata progettata per ridurre al minimo 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 piccola 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 in modalità flottante sono diventate una parte importante dell'elettronica di potenza moderna, poiché le tensioni di gate degli elementi di commutazione (IGBT, MOSFET, tiristori, ecc.) devono essere misurate per garantirne il 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 modalità flottante fino a decine di kV in tutta sicurezza.
- Elevata reiezione di modo comune. Nell'elettronica di potenza, le tensioni di modo comune elevate non solo sono comuni, ma variano anche rapidamente. È qui che entrano in gioco i vantaggi del carico di modo comune e dell'isolamento della 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 migliorata. -
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 migliorare ulteriormente la sicurezza dell'utente e prolungare 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 articolo 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 rifiuto di modo comune è limitato sia dai segnali ad alta frequenza che dalle sorgenti con impedenza non adattata. Inoltre, sono spesso rumorose e inadatte alla misurazione di bassi valori di tensione. Come ulteriore osservazione, va notato che alcune sonde differenziali ad alta tensione possono presentare un rifiuto di modo comune significativamente degradato qualche tempo dopo la produzione. Ciò è dovuto a una scelta inadeguata del substrato nella sezione del divisore ad alta impedenza, che può modificare le proprie proprietà dielettriche senza che l'utente abbia la possibilità di regolarle.
Misurazioni tipiche con la sonda ISOVP:
la tensione di ingresso differenziale massima dell'ISOVP è specificata come ±2,5 V, sebbene non si saturi per ingressi leggermente superiori. Gli attenuatori x10 e x50 inclusi estendono il range 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 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 testa della sonda, tenere presente che l'unità è fisicamente collegata all'unità ricevente, quindi tirare la testa della sonda potrebbe accidentalmente far cadere a terra il ricevitore. È inoltre necessario fare attenzione a non inciampare nel cavo in fibra ottica che collega il ricevitore e la testa della sonda, poiché ciò potrebbe causare la caduta a terra di entrambe le unità, con conseguente potenziale guasto dell'unità.
Si raccomanda sempre di montare la testa della sonda su un treppiede. Ciò conferirà alla sonda stabilità meccanica 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 mini-scrittori e l'altro non terminato, che consentono all'utente di effettuare il collegamento appropriato per la propria configurazione specifica. I mini-scrittori 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 ulteriori terminazioni. Nella maggior parte delle applicazioni di misura, un tipico connettore dritto da 2,54 mm installato sulla scheda è sufficiente per il collegamento. Sono disponibili cavi SMB non terminati aggiuntivi (codice articolo ISOVPUC).
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
La temperatura ambiente varia rapidamente. L'ISOVP supporta le calibrazioni a caldo, quindi non è necessario scollegare il dispositivo in prova (DUT).
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.
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 come 1 MΩ con una piccola capacità in parallelo. Questo simula l'impedenza vista sugli 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'uso delle sonde ad alta tensione x1000 è di particolare interesse per l'ampio intervallo di misura che offrono.
Una sonda x1000 ben nota sul mercato è la Tektronix P6015A, con un'impedenza di ingresso di 100 MΩ e 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 da 3 metri. La scatola di compensazione in uscita può supportare 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 base alla risposta impulsiva dello specifico oscilloscopio che l'utente utilizzerà. Per questa regolazione è necessario utilizzare un impulso quadrato di 1000 V o superiore.
Una sonda come la P6015A può essere collegata direttamente alla sonda ISOVP o tramite gli attenuatori x10 o x50. Insieme, consentiranno all'utente di eseguire misurazioni in modalità flottante e ad alta tensione in tutta sicurezza. 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 P6015A nell'intervallo di regolazione.
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 variazione di valore dipenda dalla 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 fortemente 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 le loro limitazioni, oppure la misurazione flottante dell'oscilloscopio, con i rischi intrinseci che ne derivano.
Sebbene alcune misurazioni sembrino essere riferite alla terra, è preferibile considerarle come misurazioni flottanti, poiché l'induttanza e la resistenza parassite di uno dei punti di misurazione della terra 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.
Le sonde ottiche sono particolarmente utili per le misurazioni in modalità flottante, 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 tensioni di modo comune elevate e rapide. Limitando la corrente di commutazione del MOSFET con una resistenza di drain di grande valore, è possibile creare tensioni di modo comune variabili e 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 modalità flottante al drain del MOSFET e la sonda ISOVP è configurata per misurare direttamente questa tensione senza attenuatori.
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.
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 intervalli 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
- Ricordare i valori importanti per ogni misurazione. Ogni volta che si effettua una misurazione con la sonda ISOVP, è necessario tenere a mente i valori più rilevanti. Questi valori devono essere confrontati per evitare di superare i valori massimi degli attenuatori e della sonda e per garantire la sicurezza del personale.
- Tensione differenziale massima da misurare
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Tensione di modo comune della sorgente - Frequenza di commutazione della tensione di modo comune - Impedenze di sorgente
- Mantenere la testa della sonda e il ricevitore in posizione sicura. Entrambe le unità sono collegate tramite cavi in fibra ottica, quindi è necessario prestare attenzione quando si posiziona manualmente una delle unità, poiché l'altra potrebbe essere accidentalmente rovesciata. Inoltre, quando si posizionano entrambe le unità, è possibile inciampare nei cavi in fibra ottica. Pertanto, è consigliabile, ad esempio, 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 le distanze di sicurezza. L'intera testa della sonda è otticamente isolata e può potenzialmente fluttuare a migliaia di volt. Per l'ISOVP è stato testato un massimo di 50 kV. Tuttavia, l'utente deve fornire indicazioni sulla distanza appropriata in base alla tensione e alla frequenza di commutazione della tensione 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. Prestare attenzione quando si effettuano i collegamenti della sonda quando i circuiti generano ampie oscillazioni dI/dt o dV/dt. Il campo elettrico si accoppia nelle linee non schermate e il campo magnetico crea differenze di potenziale nei circuiti elettrici. Pertanto, è generalmente preferibile trasmettere il segnale misurato tramite un cavo coassiale per la maggior parte della distanza tra i punti della sonda e l'ingresso dell'attenuatore. Il cavo coassiale non terminato in dotazione può essere utilizzato per adattare terminazioni coassiali specifiche per schede, 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 un breve periodo. 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 l'autocalibrazione. Questa funzione regola l'offset e il guadagno della sonda. L'utilizzo di questa funzione richiede solo pochi secondi e può essere eseguita in qualsiasi momento senza disconnettere il segnale di ingresso, quindi si consiglia di utilizzarla ogni pochi minuti e immediatamente prima di qualsiasi misurazione importante.
