Osiloskoplarda overvoltage protection

[Mikro Step]

Elimdeki scope 100Mhz. Kataloguna gozatarken girisler icin overvoltage protection kisminda asagidaki degerle karsilastim.

Overvoltage protection ±100 V (DC + AC peak) up to 10 kHz

Giris voltajinin +/- 100v a dayanabildigi yazmis. Ancak frekans icin 10Khz limit konmus.

100Mhz scopa uygulanan sinyal 100v olabilir ama frekansi max 10Khz olacak olayi kafami karistirdi.

Bir aramada da scoplar hakkinda genel bir aciklama yapan asagidaki metinle karsilastim. Bu aciklamada da 10Khz limitten bahsediliyor.

Protecting 1 MΩ inputs​

A 1 MΩ input has a typical maximum voltage rating of 400 volts (DC + peak AC) for input frequencies less than or equal to 10 kilohertz (kHz). While a considerably more rugged specification, it may still be damaged by high-amplitude voltage transients caused by lightning or other electromagnetic interference (EMI) phenomena.

A 1 MΩ input can be protected using surge protectors such as spark gaps, gas discharge tubes, or diodes that break down to discharge electrical surges to ground before they can cause damage.

 

[ozkarah]

Aklıma şöyle bir neden geliyor. Osiloskop giriş katında kabaca yukarıdaki gibi 1MOhm bir direnç ve uygun bir kompanse edici kapasitör var. Genelde 15-20 pF civarında oluyor. Direnç frekansa karşı karakteristiği büyük çlöüde stabil bir komponent. Ancak frekans arrtıkça bu kapasitörün ESR değeri de düşüyor. Bu düşme yüksek voltajda yüksek miktarda akımın üzerinden geçerek zarar vermesine neden oluyor olabilir diye düşünüyorum.

 

[Mikro Step]

Benim aklima gelen daha farkli bir olay fakat bu uygun malzeme secimi ile asilabilecek bir durum. Dolayisi ile benim dusuncem de yanlis.

Cs icin konusursak. Xc=1/wc yani frekans arttikca empedansi dusuyor.

Cs icinden akan akim V/Xc yani V artarsa akim artiyor ayni sekilde frekans artarsa da akim artiyor.

Cs=20pF olsa

sinusel giris sinyali icin

10Khz de 800K empedans gosterirken
100Mhz de 80 Ohm gibi bir empedansi olacak.

100v da 800K empedans gosteren kapasitor sadece 125uA civarinda akim cekerken frekansi 100Mhz yaptigimizda 100v da 1.25A akim cekmek isteyecek.

Bu uygun ve pahali kapasitor kullanimi ile asilabilir. Fakat bir probun bu kadar akim tasimasi sozkonusu olamaz.

Gene de bu sorun scopun girisindeki CS kapasitorunun degil probun sorunu.

Daha farkli bir aciklama olmasi lazim.

 

[taydin]

Orada söylenen olay prob ile ilgili. Osiloskobun front end'i ile ilgili değil. Yoksa osiloskobun giriş empedansı bant genişliği boyunca az çok sabittir. Zaten sabit olmazsa çok büyük ölçüm hataları olur.

Problar için bir "voltage derating curve" denen bir olay var. Mesela bir Pico probu için şu verilmiş:

Frekans ile voltajın düşmesi de, probda kullanılan koaksiyel kablonun kayıplarının frekans ile artması. Keysight bununla ilgili güzel bir video yüklemiş

 

[Mikro Step]

Bahsettigim soz konusu limit prob icin degil scop icin verilmis.

https://www.farnell.com/datasheets/3704994.pdf

Dolayisi ile bahse konu kapasitor yuksek VAR degerli yapilsa bile hic kimse scopun girisinden iceriye 1A akim girmesini istemez. En azindan olcum yapilacak noktadan 1A akim cekmek istemeyiz.

Scopun hemen girisinde 20pf gibi bir kapasitor varsa scopun giris empedansi genis band araliginda nasil sabit kalabilir ki?

 

[taydin]

Scopun hemen girisinde 20pf gibi bir kapasitor varsa scopun giris empedansi genis band araliginda nasil sabit kalabilir ki?

Scopun girişine paralel 20 pF kapasitör yok. O kapasite, transmisyon hattı teorisine göre iletim hattı boyunca oluşan bir modelleme. İşin ayrıntısına ben de hakim değilim, matematiği çok ağır bir konu, ama giriş empedansı az çok sabit olmak zorunda. Yoksa Benim 1 GHz lik osiloskobu ben elimdeki 1.2 GHz sinyal jeneratörüne bağlayınca, jeneratör çıkışını tam kısa devre ederim ve hiç sinyal ölçemem. Ama öyle olmuyor. 200 kHz de ne ölçüyorsam aşağı yukarı 1.2 GHz de de aynı şeyi ölçüyorum.

 

[Mikro Step]

Ne yapilirsa yapilsin konnektordu PCB idi derken fiziki olarak kapasite takilmamis olsa bile giriste kapasite olusur,

Nitekim yaptigim deney cok dogru bir sey olmasa da scop enerjisizken probu sokup 200Khz test frekansinda LCR metre ile scop konnektorunden olcum yaptim.

18p giris kapasitesi, 700K da paralelinde direnc degeri okuyorum.

Bu durumda bir scopun 1Khz de de 1Ghz de de dogru olcum yapmasi garip.

Probdaki kompanzasyon kapasitoru bu sorunu cozuyor olmali.

 

[taydin]

Ne yapilirsa yapilsin konnektordu PCB idi derken fiziki olarak kapasite takilmamis olsa bile giriste kapasite olusur,

Nitekim yaptigim deney cok dogru bir sey olmasa da scop enerjisizken probu sokup 200Khz test frekansinda LCR metre ile scop konnektorunden olcum yaptim.

18p giris kapasitesi, 700K da paralelinde direnc degeri okuyorum.

Transmission teorisini bu mantıkla anlayamazsın. O zaman şu deneyi yap:

LCR metren ile 1 m, 50 Ohm karakteristik empedansı olan bir koaksiyel kablonun kapasitesini ölç. Sonra 50 Ohm çıkış empedansı olan bir sinyal jeneratörüne bağla. Sonra da diğer ucu 50 Ohm giriş empedansı olan osiloskoba bağla. 10 kHz de sinyal aynen osiloskoba ulaşması lazım, 1 GHz de osiloskobun 0 V göstermesi lazım.

Ben bu deneyi yaptım, öyle olmuyor. Karakteristik empedansı 50 Ohm olan mesela 18 GHz lik bir koaksiyel kablo varsa, bunun empedansı 18 GHz e kadar az çok 50 Ohmdur. Zaten böyle olmazsa koaksiyel kablolar hiçbir işe yaramaz. Her frekans için ayrı koaksiyel kablo mu satın alacaksın. 1 MHz ölçüyorum, ona göre koaksiyel, 200 MHz ölçüyorum, ona göre koaksiyel ...

 

[taydin]

Bir de diyelim frekans modülasyonu yapacaksın, o zaman nasıl koaksiyel kullanacaksın? Veya RADAR nasıl çalışacak? Bunlar GHz bölgesinde değişik frekanslarda geziniyor. Her frekans için ayrı transmission hattı mı gidiyor anten array'e? Hayır. 20 GHz lik transmission hattı var, ve bunun karakteristik empedansı 20 GHz e kadar REZİSTİF 50 Ohm. Reaktans neredeyse hiç yok. O yüzden her frekans aşağı yukarı aynı kayıpla antene ulaşıyor.

 

[Mikro Step]

Yok ben su anda scopun girisinde 20pf gibi bir kapasite varken neden dusuk ve yuksek frekanslarda olcum hatasi olusmuyora takildim.

Giriste bu kapasite var. Scope ve probun bir arada oldugu modellerdeki semalara bakarsak bu zaten acik olarak belli.

Asagidaki semada giristeki kapasitor 20pf dan cok kucuk.

http://www.tronola.com/Tektronix_475A_Oscilloscope_Schematics.pdf

 

[taydin]

Devrenin transfer fonksiyonu, sadece 15 pF lık bir kapasitenin transfer fonksiyonu olamaz. Onu diyorum ben. O front end'in transfer fonksiyonuna bakarsan, bant genişliği frekansında 3 dB aşağı inen, daha düşük frekanslarda aşağı yukarı düz bir çizgidir. Bu grafik 15 pF lık bir kapasitörün grafiği değil.

 

[Mikro Step]

Hangi grafikten bahsediyoruz anlamadim ama C degeri ne olursa olsun ona seri bir direnc seri geldimi zaten 20db/dec egri mecburen olusur,

 

[taydin]

Hangi grafikten bahsediyoruz anlamadim ama C degeri ne olursa olsun ona seri bir direnc seri geldimi zaten 20db/dec egri mecburen olusur,

Eğer sadece 1 MOhm direnç ve 15 pF varsa oluşur. Ama devreyi bir bütün olarak düşünürsen oluşmayabilir. Ki zaten öyle olması lazım, yoksa 1 MOhm, 15 pF ile bir low pass filtre yaparsan, 10 MHz de -60 dB aşağı iniyor ...

 

[ozkarah]

Transmission teorisini bu mantıkla anlayamazsın. O zaman şu deneyi yap:

LCR metren ile 1 m, 50 Ohm karakteristik empedansı olan bir koaksiyel kablonun kapasitesini ölç. Sonra 50 Ohm çıkış empedansı olan bir sinyal jeneratörüne bağla. Sonra da diğer ucu 50 Ohm giriş empedansı olan osiloskoba bağla. 10 kHz de sinyal aynen osiloskoba ulaşması lazım, 1 GHz de osiloskobun 0 V göstermesi lazım.

Ben bu deneyi yaptım, öyle olmuyor. Karakteristik empedansı 50 Ohm olan mesela 18 GHz lik bir koaksiyel kablo varsa, bunun empedansı 18 GHz e kadar az çok 50 Ohmdur. Zaten böyle olmazsa koaksiyel kablolar hiçbir işe yaramaz. Her frekans için ayrı koaksiyel kablo mu satın alacaksın. 1 MHz ölçüyorum, ona göre koaksiyel, 200 MHz ölçüyorum, ona göre koaksiyel ...

Üstat benim dediğim 1MOhm giriş için, 50 Ohm giriş için değil.

 

[ozkarah]

Eğer sadece 1 MOhm direnç ve 15 pF varsa oluşur. Ama devreyi bir bütün olarak düşünürsen oluşmayabilir. Ki zaten öyle olması lazım, yoksa 1 MOhm, 15 pF ile bir low pass filtre yaparsan, 10 MHz de -60 dB aşağı iniyor ...

Burada paralel bağlılar ikisi. LPF gibi değil.

 

[taydin]

Burada paralel bağlılar ikisi. LPF gibi değil.

Farketmez. Oradaki kapasite tek değil, arkasında komple bir devre var. O devreyi bir bütün olarak düşünmen lazım, ve o davranış da kapasite davranışından çok farklı olacaktır. Yoksa birkaç yüz kHz den sonra doğru genlik ölçümü yapılması mümkün değil.

 

[ozkarah]

Osiloskopun girişini LCR metre ile ölçtüm.

1 MOhm giriş modunda 22.1 pF ölçtü:

50 Ohm modunda 0:

Bağladığım düzeneğin takılı değilken kapasitansı 3.9 pF

Yani giriş kapasitansı kabaca 18 pF. Zaten üzerinde de 1 MOhm 17 pF yazıyor.

Anladığım kadarıyla bu kapasitansın 1 MOhm girişlerde birkaç görevi var:

1- Prob tarafındaki kapastansın (uç, kompansasyo, kablo) dengelenmesi işine de yarıyor. Kapasitif voltaj bölücüsü olarak.
2- Prob ucu boştayken prob ucu anten gibi davrandığından dışarıdaki gürültü için bir LPF gibi görev yapıyor.

Ancak girişte fiziksel olarak eklenmiş bir kapasitör var mı yoksa devrenin toplam kapasitansının modellemesi mi biraz daha araştıracağım.

 

[taydin]

DC şartlarında ölçebildiğine göre orada bir kapasite var. Ama devrenin geri kalanı ile olan etkileşim nedeniyle osiloskop girişi saf kapasitif davranmayacaktır. Mesela şunu düşün: Bir kaynağa bir tane ideal kapasitör bağlı. Bu durumda, kaynak frekansı arttıkça kapasitörden geçen akım artacak. Ama diyelim o kapasitöre bir bobin paralel bağladık. Bu durumda bir rezonans devresi oluşacak ve rezonans frekansında minimum zayıflatma olurken onun dışındaki frekanslarda baya zayıflama olacak. Yani standart kapasitör davranışından çok farklı. Bir de kapasitörün kendi kaçak endüktansını hesaba katarsan gene durum aynı.

Eğer çok kaliteli bir kapasitör koyarsan, endüktans da yoksa, o zaman ancak kapasitif davranış beklenir. Ama eğer böyle birşey yapıldıysa da, ölçülen kaynağın çıkış empedansı çok düşük değilse, yapılan ölçümde çok büyük hatalar olacaktır. Ancak güçlü (çıkış empedansı küçük) bir kaynaktan ölçüm yaparsan doğru sonuç alacaksın.

 

[taydin]

Şimdi şöyle bir simulasyon yaptım: Çıkış empedansı 50 Ω olan bir kaynağı, olması gerektiği gibi 50 Ω ile sonlandırdım. Sonra da bu kaynağa doğrudan bir osiloskop girişindeki 1 MΩ ve 11 pF bağladım. Benim 1GHz bant genişliğine sahip DSO9104A nın 1 MΩ girişi için söylenen kapasite bu. Sonra da 1 kHz ile 1 GHz arasında süpürdüm.

Sonuç: 500 MHz de -3 dB aşağı iniyor! Ki 50 Ω oldukça düşük bir çıkış empedansı ...

 

[taydin]

Eğer çıkış empedansı 5 kΩ olan bir kaynak kullanırsak, ve çıkışını da sonlandırmazsak, durum çok daha vahim. 2.8 MHz de -3 dB aşağı iniyor!