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#004i: Progetto completo con PCBway “Sonda di corrente DIY per misure in potenza”

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Progetto completo con PCBway 

di PIER-ALESSANDRO AISA

Introduzione

Questo articolo riporta il progetto completo realizzato con PCBway di una sonda di corrente per oscilloscopio a basso costo, che possa operare ad alta frequenza e con correnti impulsive, come tipicamente si può osservare in applicazioni di convertitori switching. Le sonde in corrente che si possono reperire come ogetti commerciali arrivano a frequenze elevate, ma hanno dei costi proibitivi. Questa sonda è particolarmente utile a chi sviluppa alimentatori switching, per la lettura affidabile delle correnti presenti nei vari stadi del circuito.

L’articolo è organizzato in queste sezioni:

  • Principio di misura
  • Dimensionamento
  • Sbroglio del circuito stampato
  • Ordine a PCBway di10 prototipi in fast prototyping
  • Montaggio
  • Circuito di test
  • Test del primo prototipo PCBway e misure

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Il principio di funzionamento di questa sonda in corrente, si basa sull’induzione elettromagnetica prodotta dal conduttore di cui si vuole misurare la corrente. Per acquisire la corrente in maniera precisa ad alta frequenza, senza distorsione e non introdurre delle perdite di inserzione, si utilizza come elemento principale un nucleo magnetico con le seguenti proprietà:

  • Bassa permeabilità magnetica. E’ definita come il rapporto tra l’induzione magnetica prodotta a parità di campo magnetico al fine di poter realizzare un trasduttore che possa leggere anche correnti elevate senza saturare il nucleo magnetico
  • Alta precisione. Il coefficienta AL del materiale è stabile in temperatura e bassa tolleranza, in modo che il valore di induttanza secondaria di misura ottenuta sia preciso
  • Ingombro ridotto. Al fine di poter rendere facilmente trasportabile l’oggetto

Figura 1:Principio di funzionamento della sonda in corrente

La trasduzione della corrente al secondario in tensione avviene grazie ad una resistenza di terminazione RT. Per limitare la forza contro elettromotrice che si genera dal secondario al primario di misura è necessario fare in modo che la resistenza di terminazione RT, sia elevata e quindi a questo scopo il numero di spire al secondario deve essere scelto in base al range di corrente che si intende misurare.

Tipicamente si utilizzano questi rapporti spire

  1. Bassa corrente: Range da 0.5 A a 1 A = Rapporto 1:100
  2. Media corrente: Range da 1 A a 10 A = Rapporto 1:50
  3. Alta corrente: Range da 0.5 A a 1 A = Rapporto 1:25

La scelta del numero di spire e della resistenza di terminazione influenzano anche la banda passante della sonda. La sonda è terminata con un cavo coassiale RG58 con impedenza caratteristica pari a 50 ohm e deve essere utlizzata con l’oscilloscopio impostato con una resistenza di ingresso DC 1Mega ohm.

La lunghezza del cavo coassiale non influenza la banda passante della sonda per frequenze di misura sotto ai 50KHz. Sopra i 50KHz invece è necessario tenere conto dell’effetto passa basso introdotto dal collegamento.

DIMENSIONAMENTO

Al fine di ottenere un rapporto di trasduzione che dia 1 Volt per ogni Ampere letto, si utilizzano le seguenti formule.

1.Corrente al secondario. La corrente al secondario di lettura è pari a:

(1)    

2.Tensione di uscita. La tensione in uscita dalla sonda equivale al prodotto della corrente di secondario per la resistenza di terminazione

(2)    

Sostituendo la (1) in (2)

(3)    

3.Resistenza di terminazione. Se si impone e 1 Volt letto per ogni Ampere misurato e si esprime la (3) per ottenere

 

(4)    

4.Induttanza. Calcolo del valore di induttanza:

(5)    

5.Costante di tempo. La sonda lavora in regime lineare fino a che non si ha la saturazione del nucleo magnetico. Bisogna considerare anche la costante di tempo che la sonda introduce dovuta al valore della induttanza e della resistenza di terminazione. Questa costante di tempo limita la massima frequenza di misura, poiché il campo magnetico ha bisogno di tempo per crearsi e per collassare.

(6)   

6.Massima frequenza del segnale. La sonda in corrente per operare senza distorsione il minimo periodo del segnale seve essere superiore a 3 volte la costante di tempo TC Quindi nel nostro caso:

(7)

  1. Caratteristiche del nucleo magnetico

REALIZZAZIONE PROTOTIPO SU PIASTRA MILLEFORI

Prima di procedere allo sbroglio del circuito si è provveduto a realizzare un prototipo su basetta millefori. Si è provveduto a utilizzare un contenitore plastico per il contenimento della sonda ed un cavo RG58 con impedenza 50 ohm per la connessione con l’oscilloscopio.

Figura 2:Prototipo realizzato su basetta millefori

SBROGLIO CIRCUITO STAMPATO

Per lo sbroglio è stato usato l’ambiente Altium Designer.

Figura 3 : Ambiente di sbroglio Altium

Il circuito stampato è stato realizzato per il montaggio della resistenza di terminazione RT in package SMD, ma è anche possibile il montaggio della resistenza in PTH sfruttando le piazzole disponibili.

Figura 4: Sbroglio sonda in corrente

ANALISI DEI CIRCUITI STAMPATI RICEVUTI da PCBway

Vorrei sottolineare la rapidità con cui sono stati prodotti e spediti i circuiti stampati da PCBway. In 4 giorni dall’ordine ho ricevuto i circuiti stampati. Secondo me il tempo tipico è di 7 giorni lavorativi, poi in alcuni casi fortunati può essere anche ridotto. La qualità dei PCB, secondo me trattandosi di prototipi è assolutamente accettabile. Le foto seguenti sono state eseguite tramite microscopio USB e rappresentano i punti principali dove si può valutare la qualità del processo, come vias, fori, serigrafia, silkscreen, centratura.

Figura 5: Scatola PCBway con i PCB

Figura 5: Primi prototipi ricevuti da PCBway lato TOP

Figura 6: Primi prototipi ricevuti da PCBway lato BOTTOM

MONTAGGIO e DEL PRIMO PROTOTIPO

Per ottenere un valore preciso della resistenza di terminazione è stata usata la serie di due resistenze con valori 21.76 ohm e 3.3 ohm , ottenendo una resistenza misurata di 25.06 ohm.

Figura 7: Creazione resistenza di terminazione RT

Poi si è proceduto alla saldatura su PCB PCBway del toroide, delle resistenze e del cavo coassiale RG58.

Figura 8: Montaggio primo prototipo PCBway

Figura 8: Montaggio primo prototipo PCBway nel contenitore

COLLAUDO DEL PRIMO PROTOTIPO

Per il test del prototipo è stato impiegato un MOSFET veloce IRPFZ44, in grado di switchare a frequenze di qualche centinaio di KHz correnti fino a 5 Ampere. Il circuito è pilotato da un generatore di finzione Agilent 332210A.

Figura 9: Circuito di test

La sonda in corrente è stata posizionata sul collegamento al carico.

Figura 9: Setup per misura di una corrente di test della sonda realizzata con PCBway

Con il generatore di frequenza sono state generate forme d’onda quadre con frequenza da 1KHz fino a 300KHz.

Figura 8: Generatore di funzione Agilent 33120A

MISURA DI CORRENTE SUI FRONTI. Con l’oscilloscopio sono stati valutati i dati di lettura della corrente che risultano molto precisi. Ad esempio nella figura seguenti si vede l’accensione del MOSFET (Curva blu) e la relativa corrente di Drain misurata dalla sonda in corrente (Curva gialla). In questo caso la corrente misurata raggiunge un picco di 1.7° (pari a 1.7 V letti sull’oscilloscopio).Bisogna ricordare che essendo un trasformatore amperometrico l’accoppiamento è in AC e quindi verranno tagliate tutte le componenti DC

Figura 10: TEST#1: di una corrente di con valore 1,5 A e frequenza 1KHz

All’aumentare della frequenza comincia a diventare confrontabile la costante di tempo TC, con il periodo del segnale; ad esempio la seguente figura mostra la misura di una corrente alla frequenza di 50KHz.

Figura 11: TEST#2: Misura di una corrente di con valore 2 A e frequenza 50KHz

Aumentando ulteriormente la frequenza si nota che comincia a comparire una distorsione introdotta dalla sonda in corrente. In questo caso per frequenze superiori a 250KHz la sonda introduce un piccolo errore di lettura.

Figura 12: TEST#3: Misura di una corrente di con valore 2 A e frequenza 100KHz

La seguente figura mostra la sonda realizzata con PCBway, montata e collaudata pronta all’utilizzo.

Figura 13: Montaggio completo della sonda in corrente realizzata con PCBway