Una guida alla protezione degli ingressi di un oscilloscopio da sovratensione

Chi si aggirasse in un qualsiasi laboratorio di ingegneria o di test, troverebbe degli strumenti con dei cartellini appesi a una connessione di ingresso con su scritto "NG", "intermittente" o "rotto". Probabilmente si tratta di oscilloscopi, uno dei nostri strumenti di misurazione elettronica più utilizzati. Oltre a essere diffusissimi, in genere sono anche costosi: circa 10.000-12.000 dollari per GHz di larghezza di banda. Viste le cifre non indifferenti, gli ingegneri e i tecnici dovrebbero conoscere il modo migliore per proteggerne gli ingressi ed evitare che finiscano con appeso un cartellino.

Consideriamo un tipico oscilloscopio da 1 GHz: ha ingressi sia da 50 Ω che da 1 MΩ. L'ingresso da 50 Ω ha una sensibilità di tensione da 1 mV/div a 1 V/div. La sensibilità dell'ingresso da 1 MΩ va da 1 mV/div a 10 V/div.

Proteggere gli ingressi da 50 Ω

L'ingresso da 50 Ω ha una tensione massima di ingresso di 5 V rms, che è impostata dalla potenza nominale della terminazione interna. 5 V rms applicati a un resistore da 50 Ω dissipano 0,5 W (corrente (I) = V/R = 5 V/50 Ω = 0,1 A; potenza = V × I = 5 × 0,1 = 0,5 W).

Cosa fare se occorre misurare una tensione superiore a 5 V? Basta usare un attenuatore in linea come CATTEN-03R0-BNC di Crystek Corporation (Figura 1).

Figura 1: Un attenuatore in linea aumenta la capacità di gestione della potenza degli ingressi da 50 Ω dell'oscilloscopio e dell'analizzatore di spettro. (Immagine per gentile concessione di Crystek Corporation)

Gli attenuatori riducono il livello di potenza di un segnale senza distorcerlo. Le versioni coassiali in linea offrono un'attenuazione fissa e sono disponibili in un gran numero di tipi di connettori con diverse configurazioni di spine e connettori femmina.

CATTEN-03R0-BNC è un attenuatore BNC da 50 Ω, 3 dB con una larghezza di banda tra 0 e 1 GHz e una potenza nominale di 2 W. È uno dei modelli disponibili nella linea di prodotti di Crystek con attenuazioni tra 1 e 20 dB. Poiché la tensione massima di ingresso all'attenuatore è limitata dalla sua potenza nominale, un attenuatore da 3 dB aumenterà la tensione massima di ingresso dell'oscilloscopio a 7 V.

Per oscilloscopi con larghezze di banda superiori a 1 GHz, è possibile usare un attenuatore in linea di 2,92 mm come SF0915-6200-03 di Amphenol SV Microwave, un dispositivo da 50 Ω e 3 dB con una larghezza di banda da 0 a 40 GHz.

La calibrazione dell'oscilloscopio può essere mantenuta utilizzando le funzioni di scalatura dell'ingresso che si trovano sulla maggior parte di questi strumenti. Per un attenuatore di 3 dB, l'ingresso è scalato da un fattore moltiplicativo di 0,707. La precisione di questi attenuatori è in genere superiore a 1 dB.

Proteggere gli ingressi da 1 MΩ

Un ingresso da 1 MΩ ha una tensione nominale massima tipica di 400 V (c.c. + c.a. di picco) per frequenze di ingresso inferiori o uguali a 10 kHz. Pur essendo una specifica molto più robusta, può essere comunque danneggiata da transitori di tensione ad alta ampiezza causati da fulmini o altri fenomeni di interferenze elettromagnetiche (EMI).

Un ingresso da 1 MΩ può essere protetto utilizzando limitatori di sovratensione come gli spinterometri, i tubi a scarica di gas o i diodi che si rompono per scaricare le sovratensioni elettriche a terra prima che possano causare danni.

LP-GTR-NFF di Amphenol Times Microwave Systems è un limitatore di sovratensione in linea per connettore di tipo N che utilizza un tubo a scarica di gas sostituibile. Il tubo cede a tensioni c.c. superiori a ±90 V/20 A e può gestire sovratensioni fino a 50 W. Viene inserito in linea e ha una larghezza di banda da c.c. a 3 GHz con una perdita di inserzione di 0,1 dB fino a 1 GHz e da 0,2 dB fino a 3 GHz (Figura 2).

Figura 2: Il limitatore di sovratensione LP-GTR-NFF usa un tubo a scarica di gas sostituibile per proteggere le linee coassiali da sovracorrenti transitorie fino a 50 W. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Times Microwave Systems)

I limitatori di sovratensione in genere vengono messi in serie con l'ingresso dello strumento e sono normalmente necessari per gli strumenti connessi a lunghe linee di alimentazione o di comunicazione dati in cui possono prodursi delle grandi tensioni transitorie.

Rimozione di una tensione di polarizzazione in c.c.

Alcune applicazioni di misurazione, come la misurazione dell'ondulazione su un bus di alimentazione c.c., richiedono un blocco c.c. per rimuovere la polarizzazione c.c. così da consentire l'uso di una scala verticale più sensibile. Il blocco c.c. è un adattatore coassiale che utilizza un condensatore in serie per permettere il passaggio di segnali ad alta frequenza.

I blocchi c.c. sono progettati per specifiche impedenze caratteristiche, di solito 50 o 75 Ω. CBLK-300-3 di Crystek Corporation è un blocco c.c. con conduttore interno da 50 Ω che lascia passare i segnali con frequenze da 300 kHz a 3 GHz mentre blocca i livelli c.c. fino a 16 V (Figura 3). Presenta basse attenuazioni di riflessione e inserzione sul suo campo di frequenza operativa.

Figura 3: CBLK-300-3 di Crystek blocca c.c. fino a 16 V e lascia passare i segnali con frequenze da 300 kHz a 3 GHz. (Materiale per gentile concessione di Crystek Corporation, modificato dall'autore)

Conclusione

Gli oscilloscopi sono i migliori amici dei progettisti e, con un po' di attenzione, potranno esserlo per molto tempo. I dispositivi di cui abbiamo parlato aiutano a evitare danni alla strumentazione, riducendo la tensione massima sull'ingresso, con buona pace dei temuti cartellini che potranno continuare a rimanere in un cassetto.