Capire, selezionare e utilizzare in modo efficace le sonde di corrente

Nota del redattore: questo articolo sulla misurazione della corrente e relative sonde è il terzo di una serie in tre parti dedicata alle sonde e al loro corretto utilizzo. La Parte 1 trattava le sonde passive ad alta impedenza. Il secondo articolo illustrava le sonde attive a terminazione singola, differenziali e differenziali ad alta tensione. La Parte 3 si occuperà delle sonde di corrente e di misurazione della corrente.

Esistono tre tecniche comuni per misurare la corrente con un oscilloscopio. La prima consiste nell'uso di un resistore (anche detto shunt di corrente) in serie con la corrente da misurare. La seconda si avvale di un trasformatore di corrente. La terza fa ricorso a una sonda di corrente. Poiché tutti e tre i metodi richiedono che la corrente da misurare passi per il sensore di misurazione, sono tutti piuttosto invasivi.

Permettendo agli utenti di misurare la corrente di un conduttore senza doverlo dissaldare, la sonda di corrente è la tecnica meno invasiva. Tuttavia, per sfruttare al meglio i più recenti progetti di sonda, gli utenti devono comprendere alcuni principi fondamentali delle sonde di corrente.

Questo articolo descriverà le varie metodologie di misurazione della corrente prima di presentare le sonde di corrente e illustrare come utilizzarle in modo efficace.

Lo shunt di corrente

In genere, lo shunt di corrente è integrato nel circuito o nell'attrezzatura di test correlata. La corrente viene determinata misurando la caduta di tensione attraverso la resistenza nota dello shunt. Esiste un compromesso tecnico tra la resistenza in serie dello shunt e la sensibilità desiderata della misurazione della corrente.

L'idea è ottenere una caduta di tensione ragionevole, senza però compromettere le prestazioni del circuito. Inoltre, la potenza nominale dello shunt deve essere sufficiente per la corrente misurata. Un esempio di resistore di shunt della corrente è RSA-10-100 di Riedon. Questo shunt montato su telaio ha una resistenza di 0,01 Ω con una tolleranza di ±0,25% e una potenza nominale di 1 watt. La potenza nominale del resistore definisce la corrente massima a 10 ampere, producendo una tensione di uscita di 100 millivolt. Per misurare la tensione attraverso lo shunt viene utilizzato un oscilloscopio. La maggior parte degli oscilloscopi è in grado di scalare tale tensione in una corrente equivalente (Figura 1).

Figura 1: La configurazione del canale di un oscilloscopio HDO4104 di Teledyne LeCroy mostra l'impostazione di scala che permette la lettura verticale in ampere in base al valore del resistore di shunt. (Immagine per gentile concessione di DigiKey).

La configurazione del canale di ingresso per un oscilloscopio HDO4104 di Teledyne LeCroy è tipica di molti strumenti, per la scalatura dei dati verticali. I controlli di scalatura permettono all'utente di specificare le unità, ampere in questo caso, e il fattore di ridimensionamento in unità/volt. Nel caso di RSA-10-100, l'impostazione delle unità per volt è il reciproco del valore di resistenza, ossia 1/0,01 = 100. È inoltre prevista la possibilità di aggiungere o sottrarre una corrente di offset, cosa che potrebbe essere necessaria per un sensore attivo. Dopo l'accesso alla configurazione del ridimensionamento, la scalatura verticale del canale di ingresso dell'oscilloscopio leggerà direttamente i dati in ampere, inclusi i parametri di misurazione e le letture del cursore.

I resistori di shunt rispondono alle correnti sia c.a. che c.c. con larghezze di banda limitate dall'induttanza e dalla capacitanza interne dei resistori.

Un complemento al resistore di shunt a corrente piatta standard è lo shunt di corrente coassiale o impulsivo. Questo dispositivo sistema i resistori di shunt in una geometria cilindrica per minimizzare la loro induttanza. I contatti di tensione vengono diretti a un connettore coassiale di opportuna larghezza di banda.

Gli shunt di corrente coassiali sono disponibili con larghezze di banda fino a 100 MHz, in base al valore di resistenza e alla corrente nominale massima.

La dimensione dello shunt coassiale è proporzionale alla corrente nominale massima e in genere è molto più grande di uno shunt a corrente piatta convenzionale.

Trasformatore di corrente

Un'altra possibilità è il rilevamento magnetico della corrente in un conduttore. Il sensore basato sul principio magnetico più semplice è il trasformatore di corrente (Figura 2).

Figura 2: Il trasformatore di corrente rileva la corrente in un conduttore che passa attraverso l'apertura in un nucleo in ferrite dotato di un avvolgimento secondario a spirali multiple. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Il conduttore che trasporta la corrente misurata (I_Meas) passa per il centro di un nucleo in ferrite formando l'avvolgimento primario di un trasformatore. La corrente induce un flusso magnetico nel nucleo proporzionale alla corrente. Per rilevare il flusso magnetico viene utilizzato un avvolgimento di N spire. La corrente indotta nel secondario è proporzionale al rapporto di spire (rapporto tra il numero di spire nel primario e quello nel secondario, 1/N in questo caso).

La corrente nel secondario viene convertita in tensione facendola passare per un resistore, in genere una terminazione da 50 W dell'oscilloscopio. Se si utilizza la terminazione da 50 W, l'impostazione di scalatura del canale di ingresso è N/50 amp/volt. Il trasformatore di corrente funziona solo per i segnali in c.a. Non può essere utilizzato per misurare correnti continue.

Tenere presente che il conduttore da misurare deve passare attraverso il nucleo. Di conseguenza, potrebbe essere necessario dissaldare il conduttore per inserirlo nel nucleo. Alcuni trasformatori di corrente utilizzano nuclei apribili per facilitare l'inserimento del conduttore.

Sonde di corrente

Le sonde di corrente sono progettate per offrire un modo comodo di misurare la corrente. Possono essere accoppiati in c.a., utilizzando la tecnologia dei trasformatori di corrente, oppure possono essere accoppiati in c.a./c.c. In entrambi i casi hanno una geometria a nucleo apribile che facilita racchiudere il conduttore elettroportante senza doverlo dissaldare.

CP030 di Teledyne LeCroy è un buon esempio di sonda di corrente c.a./c.c. in grado di misurare fino a 30 ampere con una larghezza di banda di 50 MHz (Figura 3).

Figura 3: CP030 di Teledyne LeCroy è una sonda di corrente a 30 ampere, c.c. fino a 50 MHz. È completamente integrata con gli oscilloscopi basati su Teledyne LeCroy tramite l'interfaccia ProBus. (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy).

CP030 utilizza una tecnologia ibrida che utilizza sia un dispositivo ad effetto Hall per i segnali in c.c. e c.a. a bassa frequenza che un trasformatore di corrente per segnali c.a. ad alta frequenza (Figura 4).

Figura 4: Un diagramma a blocchi funzionale della sonda di corrente CP030 a.c./c.c. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

La CP030 è costruita su un nucleo in ferrite diviso, che consente di inserire rapidamente il conduttore che porta la corrente da misurare.

Incorpora un sensore ad effetto Hall all'interno di una fessura nel nucleo e un avvolgimento di retroazione. Il sensore ad effetto Hall, se correttamente polarizzato, produce una corrente di uscita proporzionale al flusso nel nucleo. Questa uscita è amplificata e comanda l'avvolgimento di retroazione per ottenere una condizione di flusso zero nel nucleo. A questo punto, la corrente che passa nell'avvolgimento di retroazione è proporzionale al flusso dovuto al conduttore che porta la corrente.

La terminazione di uscita converte questa corrente in tensione. Via via che l'uscita del sensore ad effetto Hall diminuisce con l'aumentare della frequenza, l'avvolgimento di retroazione agisce come trasformatore di corrente, misurando accuratamente le componenti ad alta frequenza del segnale misurato.

La sensibilità della CP030 è 1 volt/ampere. La sonda comunica con l'oscilloscopio tramite l'interfaccia ProBus. L'oscilloscopio regola automaticamente la scala del canale in cui la sonda è inserita per effettuare le letture in ampere (Figura 5).

Figura 5: La configurazione del canale di un oscilloscopio HDO4104 di Teledyne LeCroy con un dispositivo CP030 collegato. La sonda viene riconosciuta automaticamente, come indicato nella casella. La scala corretta viene inserita automaticamente nella voce Units/V e le unità verticali vengono impostate su Ampere. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Oltre a rilevare e scalare l'uscita della sonda, l'oscilloscopio include una finestra di dialogo con tutti i controlli relativi alla sonda (Figura 6).

Figura 6: La finestra di dialogo di configurazione della sonda CP030, che mostra i controlli per la demagnetizzazione e l'autoazzeramento della sonda. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Sono inclusi i controlli di demagnetizzazione e autoazzeramento. Le demagnetizzazione elimina qualsiasi flusso residuo nel nucleo della sonda applicando un segnale smagnetizzante. La demagnetizzazione dovrebbe essere usata prima di qualsiasi misurazione critica, per assicurare la migliore precisione. In assenza di corrente, il controllo ad autoazzeramento imposta qualsiasi offset dell'uscita della sonda a zero volt. La presenza di questi controlli sull'oscilloscopio evita che occupino spazio nel corpo della sonda o nell'interfaccia, permettendo di ridurre le dimensioni della sonda. La finestra di dialogo identifica anche la sonda e fornisce le sue specifiche salienti.

Tecniche comuni per aumentare l'utilità delle sonde di corrente

Quando si misurano basse correnti, la sensibilità di una sonda può essere aumentata avvolgendo più spire sul il primario (Figura 7A).

Figura 7: Aumentare la sensibilità della sonda di corrente avvolgendo più spire attraverso il nucleo della sonda (A). Effettuare una misurazione differenziale racchiudendo più conduttori attraverso il nucleo della sonda (B). (Immagine per gentile concessione di Teledyne LeCroy)

Come in qualsiasi trasformatore, la sensibilità della sonda aumenta in base al numero di spire che passano attraverso il nucleo della sonda. Nella figura ci sono quattro spire attraverso il nucleo della sonda, per cui la sensibilità aumenta di un fattore di quattro. Questo fattore deve essere immesso manualmente nelle impostazioni di scalatura della sonda. Tenere inoltre presente che l'impedenza di inserimento aumenterà del quadrato del numero di spire. In questo caso l'impedenza aumenterà di sedici volte. Poiché la misurazione è destinata a bassi livelli di corrente, la caduta di tensione attraverso questa impedenza è generalmente bassa e dovrebbe avere un effetto minimo sulla misurazione.

Se vengono fatti passare più conduttori attraverso la sonda, l'oscilloscopio leggerà la corrente netta (Figura 7B). Questa tecnica può essere utilizzata per misurare la corrente differenziale in due conduttori. Può essere utilizzata anche per annullare una corrente di offset alta facendo passare un conduttore con una corrente c.c. equivalente nella direzione opposta. Così facendo si può ampliare il campo della sonda di corrente.

Utilizzo di sonde di corrente di terzi

Molti produttori offrono sonde di corrente destinate al mercato degli oscilloscopi generici che non utilizzano interfacce proprietarie. Queste sonde includono una fonte di alimentazione e controlli per la demagnetizzazione e la regolazione dell'offset c.c. della sonda. Un esempio è CP6990O-NA, una sonda di corrente autonoma c.a./c.c. 40 A, 1,5 MHz di Cal Test Electronics (Figura 8).

Figura 8: La sonda di corrente autonoma CP6990-NA di Cal Test Electronics, con relativi accessori (Immagine per gentile concessione di Cal Test Electronics)

Questa sonda di corrente è alimentata a batteria e si collega direttamente a un oscilloscopio con il cavo BNC in dotazione. La sonda ha un doppio intervallo di sensibilità: 1 volt/ampere o 100 millivolt/ampere Il campo di scalatura di un dispositivo HDO4104 di Teledyne LeCroy avrebbe un valore rispettivamente di 1 o 10 unità/volt. Nel campo delle unità dovrebbe essere selezionata una "A". Le scale verticali per il canale selezionato ora saranno calibrate in ampere.

Conclusione

Gli oscilloscopi possono essere utilizzati per effettuare misurazioni di corrente avvalendosi di shunt di corrente, trasformatori di corrente o sonde di corrente. Indipendentemente dal sensore utilizzato, il canale dell'oscilloscopio può essere scalato per leggere direttamente in unità di corrente.

Grazie alla facilità di collegamento, la sonda di corrente è il dispositivo più facile da usare. Le sonde di corrente fornite dal produttore dell'oscilloscopio vengono rilevate automaticamente e i dati della corrente scalati di conseguenza.