TRASFORMATORE D'INIEZIONE

VISTA INTERNA

0. Premessa

I DSO di ultima generazione ormai offrono tutti la funzionalità di "Bode Plot" che è ben nota a tutti i tecnici che si occupano di progettazione e sviluppo di sistemi elettronici di controllo.

La classica strumentazione impiegata per studiare la stabilità dei sistemi retroazionati (criterio di Bode del margine di guadagno e di fase), a tutt'oggi ancora impiegata, è il FRA (Frequency Response Analyzer) che è uno strumento particolare, abbastanza costoso (intorno a 5.000 $), controllato solitamente da PC e per questo diffuso solo fra gli specialisti del settore.

L'offerta dei produttori di DSO moderni (R&S, LeCroy, Siglent, Rigol, TEK e altri) comprende in un unico strumento un AWG (Arbitrary Waveform Generator) necessario per la funzionalità di Bode Plot, oltre a quella propria di oscilloscopio digitale.

Insomma si può evitare di acquistare uno strumento dedicato perchè già incluso nel pacchetto di funzionalità in un apparecchio di uso più generale.

L'articolo si propone di : a) illustrare le caratteristiche che deve avere un accessorio (come da titolo), da impiegare insieme a un DSO con funzione Bode Plot, e b) fornire le indicazioni utili all'autocostruzione, visto che il costo commeciale di tale oggetto è compreso tra 400 e 600 €.

Non è prevista, per ora, la spiegazione sull'impiego di tale accessorio, riservando maggiori dettagli sull'argomento, magari in un prossimo articolo.

1. A cosa serve un trasformatore d'iniezione e che caratteristiche deve avere

Fondamentalmente il trasformatore d'iniezione (injection transformer) serve per rendere flottante l'uscita (OUT), rispetto al suo ingresso (IN). L'ingresso (IN) viene collegato al generatore AWG (50 Ω) del DSO e l'uscita (OUT) è chiusa sull'impedenza caratteristica (resistenza 50 Ω) per generare ai suoi capi la tensione d'ingresso da iniettare nell'anello di retroazione del sistema di cui si vuole tracciare il diagramma di Bode (modulo e fase). Rispettare l'adattamento d'impedenza a 50 Ω è obbligatorio per avere la massima danda passante del circuito d'iniezione, evitando fenomeni di riflessione e risonanze indesiderate nel circuito.

Le caratteristiche che il progetto del trasformatore d'iniezione dovrebbe soddisfare sono :

1a) rapporto di trasformazione 1 : 1

1b) massima banda passante possibile (entro -3 dB), min. da pochi Hz fino al max. di 10 MHz e oltre (possibilmente)

1c) minimo sfasamento tra Vin/Vout, contenuto possibilmente entro ± 5°, in un ampio intervallo di frequenza min./max.

1d) bassa capacità tra avvolgimento primario/secondario

Alcune delle sopracitate caratteristiche sono in antitesi l'una con l'altra e quindi occorre trovare un compromesso, soprattutto in considerazione dei materiali disponibili sul mercato, che devono essere ecomonici e di facile reperibilità.

2. Scelta dei materiali e costruzione

Per prima cosa bisogna individuare il nucleo, necessariamente toroidale, da impiegare nella costruzione del TRF. E' chiaro che dovendo partire da una frequenza minima di pochi Hz e raggiungere i MHz, occorre un nucleo di materiale magnetico particolare, con alta A_L alle basse frequenze per non dover avvolgere un elevato numero di spire che comprometterebbe il vincolo 1d) precedente.

Inoltre il numero massimo di spire dell'avvolgimento dipende primariamente dalle dimensioni del toro la cui massima dimensione che ho trovato facilmente è (Φ_e)40mm x (Φ_i)30mm x (H)15mm.

Inoltre il materiale del nucleo dovrebbe presentare un'alta corrente di saturazione magnetica. La scelta è caduta su nucleo VAC in materiale VITROPERM 500F tipo T60006-L2045-V102. L'avvolgimento di 42 spire è realizzato con 2 doppini twistati e collegati in parallelo tra loro per le ragioni di seguito spiegate. La coppia di doppini twistati è ricavata da 3,5 m di cavo di rete LAN tipo CAT6/4UTP.

Il montaggio del TRF, dentro una scatolina in alluminio pressofuso HAMMOND 1590BS, fa uso di un supporto in plastica stampato in 3D che serve al fissaggio all'interno del contenitore del TRF e del fusibile, tipo F da 30/50 mA, in serie all'avvolgimento secondario per proteggerlo da correnti elevate che saturerebbero il nucleo magnetico. Questo è un accorgimento mutuato da un TRF d'iniezione commerciale marca OMICRON tipo B-WIT 100. Il tutto è completato da un'etichetta realizzata con stampa laser per dare un'aspetto professionale alla costruzione casalinga.

COMPONENTI

Il motivo di avvolgere sul toro una coppia di doppini bifilari singolarmente twistati e disposti in parallelo è per avere l'impedenza caratteristica equivalente di 50 Ω dell'avvolgimento così realizzato. Si potrebbe obiettare che usando un cavo RG174 nativamente con Z_o di 50 Ω si otterrebbe lo stesso risultato, ma in questo modo si aumenterebbe anche la capacità tra primario e secondario del TRF che invece deve essere la minima possibile. Non ultima considerazione è che l'RG174 è più ingombrante dei due doppini affiancati e che le 42 spire di progetto riempirebbero quasi completamente il foro interno del toro con un avvolgimento non proprio ordinato (ho fatto un tentativo di prova poi abbandonato.....) richiedendo pure un contenitore più grande di quello scelto.

La dimostrazione di quanto sopra detto è evidente collegando 3,5 m di singolo doppino twistato con ai capi due connettori SMA, collegati entrambi tra PORT1 e PORT2 di un nanoVNA. La frequenza di sweep nei due grafici varia tra 50 kHz e 15 MHz.

S11 DOPPINO TWISTATO

RL DOPPINO TWISTATO

Se invece si collegano in parallelo n. 2 spezzoni lunghi 3,5 m di doppino singolarmente twistato, disposti affiancati e utilizzando lo stesso setup di prova sopra descritto si ottengono i seguenti risultati.

S11 DOPPIO BIFILARE

RL DOPPIO BIFILARE

E' evidente che con l'avvolgimento in doppio bifilare si mantiene l'impedenza caratteristica del sistema a Z_o pari a 50 Ω.

3. Verifica delle prestazioni della costruzione

A questo punto usando un DSO Siglent SDS2354X-HD dotato di funzionalità Bode Plot, si possono confrontare le caratteristiche dei due TRF d'iniezione costruiti nei due modi sopra descritti, utilizzando lo stesso setup di misura.

DSO CON "Bode Plot"

Il generatore AWG dell'oscilloscopio è impostato con uscita di 100 mV_pp e Z_o a 50 Ω. L'uscita del generatore AWG viene collegata con un cavo RG58 all'ingresso (IN) del TRF d'iniezione e, mediante un TEE BNC, inviato anche al CH1 dell'oscilloscopio con sonda 10:1 (Z_in 10 MΩ) per visualizzare la tensione V1. L'uscita (OUT) del TRF d'iniezione viene caricata con una terminazione passante a 50 Ω ai capi della quale si trova la tensione V2 inviata al CH2 dell'oscilloscopio con una sonda 10:1 (Z_in 10 MΩ).

La funzione Bode Plot dell'oscilloscopio traccia automaticamente il grafico del rapporto delle ampiezze di V2/V1 espresso in dB insieme al rispettivo sfasamento espresso in ° (gradi sessagesimali) nel campo di frequenza compreso tra 10 Hz e 10 MHz (impostabile a piacere).

TEST TRF BIFILARE

RISULTATI TRF BIFILARE

TEST TRF DOPPIO BIF.

RISULTATI TRF DOPPIO BIF.

I risultati delle prove dimostrano che il TRF avvolto in doppio bifilare presenta migliori caratteristiche sia in ampiezza che fase nel campo di frequenza da 10 Hz a 10 MHz.

4. Conclusioni

Di seguito è riportato il riepilogo delle caratteristiche del TRF d'iniezione ricavate da misure sul prototipo costruito come descritto nell'articolo. Le misure di capacità tra gli avvolgimenti primario/secondario e dell'induttanza di magnetizzazione L_μ del TRf sono state fatte con LCR meter tipo BK891 (B&K PRECISION) a diverse frequenze.

BANDA PASSANTE : 10 Hz - 10 MHz (@ -3 dB)

SFASAMENTO : < ± 5° (@ da 10 Hz a 1 MHz)

L_μ : 194 mH (@ 1 kHZ) ; 176 mH(@ 10 kHZ)

C_IN/OUT : 240 pF (da 10 kHz a 300 kHz)

Le caratteristiche di un analogo prodotto commerciale (OMICRON B-WIT100) sono riportate di seguito.

DATASHEET B-WIT100

Come si può vedere le caratteristiche del TRF autocostruito sono del tutto simili, se non migliori, di quelle del prodotto commerciale.