Misurazioni di corrente semplificate: una sonda di corrente per RF

Nov 28, 2023

In molti casi sono utili le misurazioni della corrente senza componente CC. Il più comune è il caso dei TA (trasformatori di corrente) per la rete AC. Questo articolo riguarda la progettazione di trasformatori di corrente per frequenze medio-alte, la cui realizzazione è davvero semplice. Le formule presentate sono valide anche per gli alimentatori AC.

La sonda dentroFigura1 è progettato per misurare fino a 50 A di picco in un intervallo di frequenza compreso tra 7 kHz e decine di MHz. Lo schema dentroFigura2è abbastanza semplice: il filo di cui si deve misurare la corrente viene fatto passare attraverso il toroide, che è un comune nucleo Amidon FT 82-43 che funziona bene almeno fino a 50 MHz.

L'avvolgimento secondario è costituito da dieci spire di filo distribuite uniformemente sul nucleo. Se disponibile, utilizzare un cavo a trefolo di diametro medio, ma non è obbligatorio. A causa del rapporto di 1:10 spire, la corrente massima nel secondario è di 5 Ap. Il lato secondario è caricato con 0,2 Ω, realizzato collegando in parallelo cinque resistori da 1 Ω. Con una corrente di picco di 5 Ap, la tensione di picco su questi resistori è 1 Vp, il che è molto conveniente per le misurazioni con un oscilloscopio. Per una corrente sinusoidale, la dissipazione di potenza media sui resistori è R·I2 = R·Ip2 / 2 = 2,5 W o 0,5 W per resistore. Una corrente sinusoidale continua di 50 Ap può essere misurata solo con resistori da 0,5 W o superiori. Ma, se le forme d'onda sono pulsate o vengono effettuate misurazioni molto brevi, andranno bene i resistori da ¼ W. Questa è stata la mia scelta perché volevo mantenere il design compatto per migliori prestazioni RF. OK, devo anche ammettere che queste erano le resistenze che avevo a portata di mano.

Figura3 mostra l'utilizzo tipico con una sonda per oscilloscopio, utilizzando un adattatore BNC per oscilloscopi. Il dispositivo può essere utilizzato anche con un collegamento diretto tramite cavo coassiale all'ingresso dell'oscilloscopio, poiché 1 Vp è ideale per il funzionamento dell'oscilloscopio 1×: in questo caso si consiglia di utilizzare un cavo corto per evitare riflessioni nella banda di interesse, perché il cavo coassiale non saranno corrispondenti su entrambi i lati. Meglio ancora, il cavo coassiale può essere terminato sul lato dell'oscilloscopio con la sua impedenza caratteristica: molti oscilloscopi moderni offrono la possibilità di impostare l'impedenza di ingresso su 50 Ω, quindi questo è particolarmente semplice. In questo caso specifico bisogna ricordare che la misura risulterà leggermente fuori scala, a causa del parallelo del carico da 50 Ω con gli 0,2 Ω incorporati nella sonda (la resistenza totale diventa 0,1992 Ω, dando un fattore di scala di 50,2 A /V).

Ciò che deve essere evitato è collegare la sonda dell'oscilloscopio direttamente ai resistori utilizzando le clip e saltando il connettore BNC, perché quando si misurano correnti RF elevate, anche il minimo circuito non schermato nelle sonde aggiungerà artefatti alle misurazioni.

La progettazione del trasformatore di corrente non è complicata, ma sono necessarie alcune formule elettromagnetiche. Innanzitutto riguardo al resistore di carico RL, che dovrebbe essere il più piccolo possibile in pratica per minimizzare la perdita di potenza introdotta, perché il circuito in misura "vedrà" almeno R·n2, dove 1:n è il rapporto spire (1 :10) e R è la somma di RL (0,2 Ω) e della resistenza del filo secondario (alcuni mΩ). Come già detto è molto importante che il secondario sia avvolto in modo uniforme, altrimenti il ​​circuito in prova presenterà delle induttanze parassite in serie. All'estremo opposto, se scegliamo un valore troppo basso per RL, avremo anche una tensione da misurare molto piccola, causando rumore sulle tracce. Infine, RL dovrebbe essere maggiore della resistenza del filo secondario. Nel mio caso, ho scelto 0,2 Ω in modo da poter ottenere 1 V a 5 A (50 A sul primario), che aggiunge 2 mΩ al circuito in prova. Il numero di spire secondarie, n, determina il rapporto di corrente. Nel caso di un TA ad alta frequenza, questo numero deve essere mantenuto basso per evitare l'autorisonanza causata dalla capacità parassita insieme all'elevata induttanza. Nel caso dei TA di rete, la frequenza è piuttosto bassa (50 o 60 Hz), quindi n = 1000 è un valore comune. Le potenze di 10 sono comuni, quindi il rapporto di conversione della corrente è semplice, ma sono possibili altri valori. La massima frequenza utilizzabile per un TA toroidale in ferrite dipende da: