Guía para proteger las entradas del osciloscopio contra sobrevoltajes

Si recorre cualquier laboratorio de ingeniería o departamento de pruebas, encontrará instrumentos con pequeñas etiquetas que cuelgan de una conexión de entrada con descripciones como “NG”, “intermitente” o “roto”. Es probable que estos entes misteriosos sean osciloscopios, uno de nuestros instrumentos de medición electrónica más utilizados. Además de ser ubicuos, suelen ser costosos, con un precio aproximado de entre $10,000 y $12,000 por gigahertz (GHz) de banda ancha. Dado el coste del instrumento, los ingenieros y los técnicos deben tener presente la mejor forma de proteger las entradas de estos instrumentos y evitar las pequeñas etiquetas colgantes.

Considere un osciloscopio típico de 1 GHz, con entradas de 50 ohmios (Ω) y 1 megaohmios (MΩ). La entrada de 50 Ω tiene una sensibilidad de voltaje de 1 milivoltio (mV) por división (mV/div) a 1 voltio por división (voltio/div). Su sensibilidad de entrada de 1 MΩ va de 1 mV/div a 10 voltios/div.

Protección de entradas de 50 Ω

La entrada de 50 Ω tiene una entrada de voltaje máximo de 5 voltios RMS, que se determina por la potencia de salida del terminal interno. 5 voltios RMS aplicados a una resistencia de 50 Ω disipan 0.5 vatios (corriente [I] = V/R = 5 voltios/50 Ω = 0.1 amperio [A]; potencia = V × I = 5 × 0.1 = 0.5 vatios).

¿Qué debe hacer si tiene que medir un voltaje superior a 5 voltios? Simplemente use un atenuador en línea, como el CATTEN-03R0-BNC de Crystek Corporation (Figura 1).

Figura 1: Un atenuador en línea aumenta la capacidad de manejo de potencia del osciloscopio y de las entradas de 50 Ω del analizador de espectro. (Fuente de imagen: Crystek Corporation)

Los atenuadores reducen el nivel de potencia de una señal sin distorsionarla. Las versiones en línea coaxiales ofrecen una atenuación fija y están disponibles en una gran cantidad de tipos de conector con una variedad de configuraciones de jack y clavija de conexión.

El CATTEN-03R0-BNC es un atenuador BNC de 3 decibelios (dB) y 50 Ω con un ancho de banda de 0 a 1 GHz y una potencia de salida de 2 vatios. Es uno de los modelos disponibles en la línea de productos de Crystek con atenuaciones que varían entre 1 y 20 dB. Dado que la potencia de salida del atenuador limita su voltaje de entrada máximo, el uso de un atenuador de 3 dB aumentará la tensión de entrada máxima del osciloscopio a 7 voltios.

En el caso de los osciloscopios con anchos de banda superiores a 1 GHz, puede usar un atenuador en línea de 2.92 mm como el SF0915-6200-03 de Amphenol SV Microwave, un atenuador de 3 dB y 50 Ω con un ancho de banda de 0 a 40 GHz.

La calibración de los osciloscopios puede mantenerse con las características de escalado de entrada disponibles en la mayoría de estos instrumentos. En el caso de un atenuador de 3 dB, se escala la entrada por un factor de multiplicación de 0.707. Por lo general, la precisión de estos atenuadores es superior a 1 dB.

Protección de entradas de 1 MΩ

Una entrada de 1 MΩ tiene un voltaje nominal máximo típico de 400 voltios (CC + CA máxima) para frecuencias de entrada inferiores o equivalentes a 10 kilohertz (kHz). Aunque es una especificación considerablemente más duradera, aún puede dañarse con voltajes transitorios de alta amplitud causados por rayos u otros fenómenos de EMI (interferencia electromagnética).

Puede protegerse una entrada de 1 MΩ con protectores de sobretensión, por ejemplo, distancias disruptivas, tubos de descarga de gases o diodos que se rompen para enviar las sobretensiones a tierra antes de que puedan causar daños.

El LP-GTR-NFF de Amphenol Times Microwave Systems es un protector de sobretensión en línea con un conector tipo N que usa un tubo de descarga de gases reemplazable. El tubo se rompe cuando se alcanzan voltajes de CC por encima de los ±90 voltios/20 A y puede manejar sobretensiones de hasta 50 vatios. Se inserta en línea y tiene un ancho de banda de CC a 3 GHz con una pérdida de inserción de 0.1 dB hasta 1 GHz; y 0.2 dB hasta 3 GHz (Figura 2).

Figura 2: El protector de sobretensión LP-GTR-NFF usa un tubo de descarga de gases reemplazable para proteger las líneas coaxiales contra sobretensiones transitorias de hasta 50 vatios. (Fuente de imagen: Amphenol Times Microwave Systems)

Por lo general, los protectores de sobretensión se colocan en serie con la entrada del instrumento y suelen ser necesarios para los instrumentos conectados a líneas extensas de potencia o de comunicación de datos donde pueden ocurrir voltajes transitorios grandes.

Eliminación de un voltaje de polarización de CC

Algunas aplicaciones de medición, como medir una ondulación en un bus de potencia de CC, requieren un bloque de CC para eliminar la polarización de CC y permitir el uso de una escala vertical más sensible. El bloque de CC es un adaptador coaxial que utiliza un condensador en serie para permitir el paso de señales de alta frecuencia.

Los bloques de CC están diseñados para impedancias características específicas, normalmente de 50 o 75 Ω. El CBLK-300-3 de Crystek Corporation es un bloque de CC de 50 Ω y conductor interno que permite el paso de señales con frecuencias de 300 kHz a 3 GHz y bloquea los niveles de CC de hasta 16 voltios (Figura 3). Tiene pérdidas bajas de inserción y retorno en su rango de frecuencia operativa.

Figura 3: El CBLK-300-3 de Crystek bloquea la CC hasta 16 voltios y permite el paso de señales con frecuencias de 300 kHz a 3 GHz. (Material de la fuente de imagen: Crystek Corporation, modificado por el autor)

Conclusión

Los osciloscopios son los mejores amigos de los diseñadores y, con un poco de cuidado, no se abandonan. Las herramientas mencionadas anteriormente ayudan a garantizar que esto no ocurra si se reduce el voltaje máximo observado en la entrada del instrumento, de manera que las pequeñas etiquetas colgantes quedan en un cajón y no en el instrumento.