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Protezione da impulsi veloci

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentevenexian » 3 nov 2018, 18:33

In ogni branca della scienza e della tecnica, quando ci sono visioni diverse sullo stesso fenomeno fisico, si può parlare, scrivere, citare propria o altrui reputazione, oppure si possono fare esperimenti documentati e ripetibili che dimostrino un’affermazione, un punto di vista. Sono due stili di vita, due modi diversi di affrontare quella visione particolare che hanno i fortunati che si occupano di scienza.

Un paio di giorni fa, si ragionava (anche se sarebbe meglio dire che si tentava di ragionare) sulle differenze tra diodi zener e TVS. La questione è stata chiusa d’ufficio, ma i dubbi a me sono rimasti, come mi succede sempre quando a sollevarli è chi, al di là della presunzione e dell’atteggiamento apodittico, ha la competenza per poterlo fare.

Con un certo malcelato disappunto della mia compagna, e con l’aiuto del tempo non certo clemente, ho allora approfittato del ponte per fare dei test che credo possano essere utili a chi si chiede cosa ci sia di diverso tra quei dispositivi, a chi domani magari dovrà adoperarli, o forse anche a chi è rimasto con l’amaro in bocca per l’essere stato privato di una discussione che una volta tanto non trattava di compleanni o di LED lampeggianti.

Il miglioramento della resistenza agli impulsi, essenzialmente generati dalle scariche elettrostatiche dirette, è una delle mie attività parallele a quelle direttamente collegate agli incarichi professionali, attività che svolgevo intanto in ambito di simulazione, ma ora anche sul banco di lavoro.

Dopo alcune simulazioni effettuate utilizzando gli impulsi standard definiti nelle varie normative, ho deciso di eseguire prove pratiche sui componenti di protezione (varistor, zener, TVS, scaricatori, ecc.), con particolare attenzione alle ultime parti dei circuiti, quelle connesse direttamente ai microcontrollori, dove arrivano normalmente impulsi con tensione di picco nell’ordine delle decine di volt, fronti di salita molto veloci, nell’ordine del nanosecondo, e impedenze di sorgente particolarmente basse.

Il primo problema da risolvere è quello di disporre di un impulso di tensione attorno ai 15-20 volt, con un fronte di salita sul nanosecondo. Se ci si potesse accontentare di tensioni inferiori, esistono molti buffer per logica ad alta velocità in grado di raggiungere questi valori, ma nessuna logica veloce arriva a queste tensioni.

Strumenti di laboratorio in grado di generare questi impulsi si trovano in commercio, sono dispositivi particolari e, oltre al costo stratosferico, incompatibile con lo studio che sto eseguendo, sono anche di non facile reperibilità.

Basandomi allora sull'ottimo lavoro di Jim Williams (1) e di Ari Kilpela and Juha Kostamovaara (2), ho accettato la sfida di costruire un generatore di impulsi con queste caratteristiche e desidero condividere l’esperienza.

Il generatore si basa sull’effetto valanga che si ottiene superando la massima tensione di breakdown in un transistor tenuto normalmente in zona di interdizione. Lo schema di principio è quello in figura 1.



Al transistor Q_1, tenuto in interdizione da R_B, viene progressivamente alzata la tensione di collettore V_{CC} fino a quando entra in breakdown, permettendo il fluire della corrente in R_E.

E’ ovvio che in queste condizioni, che prevedono tensioni di collettore particolarmente elevate e R_E di piccolo valore, se l’alimentazione dovesse essere mantenuta costante, il transistor si distruggerebbe per l’eccessiva corrente circolante nel dispositivo.

Modificando lo schema come in figura 2



il circuito si trasforma in un oscillatore a rilassamento che risolve il problema appena descritto. La tensione di alimentazione del transistor è ora fornita da C_T, scelto in modo da immagazzinare una energia sufficientemente limitata a non danneggiare il transistor, mentre lo stesso condensatore è caricato tramite R_T da un generatore ad alta tensione.

Se consideriamo il condensatore inizialmente scarico e il transistor in interdizione, il ciclo inizia con la carica di C_T tramite R_T fino a quando la tensione è sufficiente a mandare il transistor in breakdown. In questo momento, su R_E si genera l’impulso, C_T si scarica, il transistor torna in interdizione e il ciclo ricomincia.

La scelta dei valori per i componenti e anche per lo stesso transistor si può effettuare solo sperimentalmente. Le caratteristiche dei transistor sono talmente diverse anche tra dispositivi con sigla uguale, ma di costruttori o lotti diversi, che è impossibile affrontare il progetto in modo analitico. E’ una attività da giocoliere del tavolo di laboratorio che con un po’ di pazienza può dare risultati sorprendenti.

Se si utilizzano transistor veloci, con frequenze di taglio di qualche gigahertz, è possibile ottenere impulsi con fronti di salita ‘sub-nanosecond’. In questi casi, però, è difficile ottenere ampiezze superiori ai 10 volt e per lo studio presentato, ci siamo accontentati di tempi di salita un po’ più lenti.

Più dello schema stesso, la costruzione meccanica del generatore deve essere maniacale. Qualsiasi induttanza parassita deve essere rimossa montando i componenti ‘a giorno’, mantenendo la lunghezza dei terminali prossima allo zero e considerando con attenzione che un piano di massa, per i picosecondi, non è mai un singolo nodo.

In figura 3 è visibile la realizzazione del generatore, che prevede l’ingresso da un alimentatore ad alta tensione (100 V_{DC}) e l’uscita su una linea a 50 ohm tramite un connettore SMA.

Figura 3.jpg
Figura 3.jpg (39.17 KiB) Osservato 516 volte

Riguardo l’impedenza del generatore, va menzionato che è 50 ohm nella fase di riposo, tra un impulso e un altro, mentre è praticamente indefinibile nella fase dell’impulso a causa del parallelo tra il carico di emettitore (50 ohm) e tutto il resto che entra in gioco nella fase di breakdown.

Un modo per aggirare questo problema, è connettere il generatore al punto di misura con una linea di trasmissione in cavo coassiale semirigido al termine della quale si trova un secondo connettore SMA e il carico di terminazione bilanciato con la linea come si può vedere in figura 4. Questa soluzione permette di evitare l’insorgenza di riflessioni multiple che potrebbero degradare la forma d’onda dell’impulso. La scelta della lunghezza della linea deve essere calcolata considerando la lunghezza dell’impulso, il tempo di viaggio dello stesso lungo la linea e la frequenza di ripetizione degli impulsi stessi.



Nella stessa figura si possono leggere i valori dei componenti utilizzati nella prova. Alcuni dettagli sui componenti sono fondamentali. Come già citato, la scelta del transistor è fondamentale è deve seguire un criterio di selezione ‘prova e riprova’. Ogni componente anche apparente identico, ha un comportamento proprio. R_E e R_L sono costituite ciascuna da due resistori da 100 ohm in parallelo, in contenitore 1206, specifici per microonde. In fotografia si notano di colore bianco con la sigla ‘101’ in colore azzurro. C_T è formato dal parallelo di tre condensatori da 100 pF ciascuno saldati tra il piano di massa e il case del transistor, il più vicino possibile a dove è attaccato il die all’interno del transistor. Il terminale di collettore del transistor è stato eliminato. Il terminale di emettitore è tagliato il più corto possibile e saldato direttamente al connettore SMA, mentre quello di base, che influenza più il fronte di discesa, che quello di salita, è piegato di lato dove è montata la resistenza R_B.

Per la costruzione della basetta di prova si sono seguiti gli stessi principi, con i due resistori da 100 ohm montati a ridosso del connettore, vedi figura 5.

Figura 5.jpg

In figura è visibile lo zener in contenitore SOT-23, montato a ridosso del carico per ridurre il più possibile l’induttanza serie.

Dovrebbe essere evidente che visualizzare l’uscita di un generatore come questo, utilizzando un oscilloscopio da 20 MHz è ovviamente impossibile. Un oscilloscopio con banda passante di 2-5 GHz è da considerare il minimo accettabile. Meno evidente è che la connessione della sonda richiede un’attenzione altrettanto maniacale, come la costruzione del generatore e della basetta di test stessi. I codini con i coccodrilli di massa e le stesse pinzette di aggancio vanno eliminati, come anche ben altra parte della sonda, lasciando solo l’indispensabile.

In figura 6 è visibile l’insieme del circuito di prova composto dal generatore, la linea di ritardo, il carico/basetta di test e la sonda dell’oscilloscopio adattata alla misura.

Figura 6.jpg
Figura 6.jpg (33.64 KiB) Osservato 516 volte

... segue ...
Ultima modifica di Foto Utentevenexian il 3 nov 2018, 18:56, modificato 3 volte in totale.
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[2] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentevenexian » 3 nov 2018, 18:36

Proseguendo quanto introdotto in [1], In figura 7 è visibile come la sonda sia connessa, con la punta che appoggia su un piccolo risalto metallico saldato direttamente sul connettore e con la connessione di massa realizzata con due lamine in bronzo fosforoso forate in modo da accettare con sforzo elastico il rivestimento metallico della sonda, assicurano sia la connessione elettrica, sia la stabilità meccanica del collegamento.

Figura 7.jpg

Con gli accorgimenti adottati, i risultati sono quanto ci si aspettava e sono visibili in figura 8.

Figura 8.jpg
Figura 8.jpg (27.71 KiB) Osservato 514 volte

Senza alcun DUT connesso, l’impulso raggiunge i 15 V, ha una durata di circa 40 nanosecondi e un tempo di salita inferiore a 1,7 nanosecondi. Questo generatore permette di condurre prove attendibili e ripetibili sui dispositivi di protezione come si vedrà in seguito.

Apprestiamoci ora a smorzare sotto i 5 V l’impulso generato. Proveremo allo scopo due componenti di uso comune: uno zener e un TVS. I componenti testati sono un BZX84B5V1 in contenitore SOT-23 di produzione Vishay per lo zener, e un RLSD32A051LV in contenitore SOD-323 della Ruilon, per il TVS.

la connessione meccanica dei componenti sotto prova è stata fatta con l’intenzione di minimizzare il più possibile l’induttanza parassita in serie agli stessi. Questa induttanza, unita alla capacità dello stesso dispositivo è ciò che determina l’effettiva efficienza della protezione è va tenuta in considerazione sia in fase di test, sia in fase di stesura del circuito stampato dell’apparecchiatura dove verranno inseriti i componenti. Il circuito stampato, in modo particolare le connessioni di ritorno al terminale comune dei dispositivi di protezione, sono componenti elettrici passivi non trascurabili e sono responsabilità del progettista.

In figura 9 sono visibili i risultati ottenuti con i due componenti.

Figura 9.jpg
Figura 9.jpg (27.05 KiB) Osservato 514 volte

Il TVS svolge egregiamente il lavoro per il quale è stato realizzato, ‘tosando’ entro i 5,5 V l’impulso applicato.

Lo zener, nella prima parte dell’impulso risulta praticamente trasparente e lascia proseguire la sua (mortale) corsa verso l’elettronica a valle della protezione. Dopo circa 3 nanosecondi dall’applicazione dell’impulso, lo zener inizia a assorbire corrente, limitando la tensione nell’intorno della sua tensione nominale. Si notano evidenti le oscillazioni dovute alla capacità interna e alle induttanze parassite del circuito.

Anche se l’energia contenuta nell’imlpulso lasciato transitare dallo zener è di fatto minima, la tensione molto elevata è causa possibile dell’innesco di una condizione di latch-up nel semiconduttore raggiunto dall’impulso. La grande corrente risultante dall’effettivo cortocircuito dell’alimentazione sarà poi la causa effettiva della distruzione dello stesso.

Lo studio presentato vuole mostrare che i guasti che spesso vengono ritenuti ‘inspiegabili’ e ai quali si cerca di porre rimedio con soluzioni ‘a tentativi’, se analizzate con la dovuta perizia e strumentazione, trovano sempre la loro motivazione.

Eseguire le prove illustrate con un oscilloscopio da 100 MHz o senza gli accorgimenti necessari ad evitare l’inquinamento delle misure da artifizi quali le riflessioni multiple tra generatore e carico mostrerebbero risultati distorti e probabilmente identici per entrambi i componenti.

Nota: non sono state condotte ancora prove di vita, ma nel test-set utilizzato, dopo alcuni milioni di impulsi, si può affermare con ampia confidenza che il TVS non risulta danneggiato dalla corrente deviata al suo interno.


(1) https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an72f.pdf
(2) https://icecube.wisc.edu/~kitamura/NK/Flasher_Board/Useful/research/RSI02253.pdf
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[3] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 3 nov 2018, 19:16

Non conoscevo quel tipo di oscillatore. Ero fermo al transistor unigiunzione, 2N2160 se ben ricordo, costava un sacco e dava poco segnale. E' un circuito affidabile o si autodistrugge dopo un certo tempo?
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[4] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentevenexian » 3 nov 2018, 19:20

Se la corrente di picco resta sotto il limite per la corrente impulsiva massima, e la frequenza di ripetizione degli impulsi fa dissipare al transistor una potenza inferiore alla massima consentita, il circuito non ha ragione di essere considerato critico.

La criticità è data dal condensatore C_T. Nel corso delle prove stavo provando un MRF904, con fronte di salita ben sotto il nanosecondo, ma ho esagerato con la capacità facendolo passare a miglior vita...
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[5] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto UtenteEcoTan » 3 nov 2018, 23:10

I componenti che limitano le sovratensioni sono ben differenziati e importanti, detto questo voglio anche ricordare che tutte le volte che possiamo permetterci di mettere una resistenza in serie, il filtro RC è l'unico per tirare via i fronti ripidi.
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[6] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentevenexian » 4 nov 2018, 0:09

L'ingegneria è sempre un compromesso, qualsiasi cosa tu faccia, qualsiasi coppia di parametri contrastanti tu prenda in esame. L'elettronica non fa differenza.

Se devi proteggere l'ingresso di un micro collegato a un pulsante posto sul pannello dello stesso contenitore della scheda, quando hai messo un MOV e un pesante RC (*), hai risolto il problema.

Se invece devi leggere il segnale di un encoder in quadratura da 17 bit che viaggia a 6000 rpm , gli RC te li puoi scordare, ti trovi a dover a che fare con i nanosecodi e se vuoi discriminare il segnale dai disturbi impulsivi perché il sensore si trova a 30 metri di distanza all'interno di una fonderia, vuoi anche che le protezioni non 'allunghino' il disturbo.

Se lo sai fare prendi il lavoro, per gli altri ci sono i commenti, gli insulti e... Arduino.

(*) Fino a qualche tempo fa, pensavo che 22 kohm in serie, seguiti da 100 nF in parallelo fermassero qualsiasi cosa. Poi mi sono accorto che non è così.
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[7] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utenteluxinterior » 4 nov 2018, 10:20

venexian interssante la descrizione. Certo che quando ti devi togliere il dubbio ..

Invece toglimi una curiosità su che machine usate encoder a 17bit in quadratura a 6000giri ?
Se non ho sbagliato i conti quando viaggia a piena velocità sono 13MHz e spiccioli.
Trovare dei driver in grado di star dietro a 13MHz non è facile, so che per alte risoluzioni si usano encoder SSI ma non so se riesce a leggere quella frequenza,
Che poi alla fine con una risoluzione così alta qual è l'incertezza della meccanica ? Basta un minimo gioco per cambiare il counter dell'encoder di parecchio.
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[8] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentevenexian » 4 nov 2018, 10:44

Usiamo motori standard che montano quegli encoder e hanno una velocità di targa massima di 4200 rpm. Noi li facciamo andare a 3000. Il driver può pilotare anche motori che vanno a 7200 rpm e praticamente, a carico meccanico disconnesso, il motore potrebbe essere spinto anche oltre i suoi 4200 rpm massimi. Per progetto, vogliamo essere in grado di leggere queste velocità per prendere le opportune decisioni se la macchina dovesse uscire dalle condizioni di pieno controllo (guasto).

Nella maggior parte delle applicazioni meccaniche di cui mi occupo, il rapporto di riduzione dal motore all'ultimo organo in rotazione va oltre 1/1000, dei 17 bit quindi non me ne faccio proprio nulla. Però ci sono, e li devo leggere. Ho però progettato alcuni centri di lavoro dove viene usata tutta la risoluzione possibile e nei 'rapidi' (*) i motori si spingono fino all'ultimo rpm spremibile dal motore.


(*) I 'rapidi' sono gli spostamenti a vuoto dell'utensile da una parte del pezzo in lavorazione a un altro. Quando l'utensile taglia, i movimenti sono relativamente lenti e si cerca la massima precisione possibile. Quando invece ci si sposta senza tagliare, la cosa più importante è farlo alla massima velocità possibile. Nel progetto di un centro di lavoro, queste due caratteristiche in contrasto tra loro, sono una delle sfide più stimolanti per il progettista.
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[9] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utentelelerelele » 4 nov 2018, 10:47

Che dire Foto Utentevenexian, bravo.

Al giorno d'oggi capita, (purtoppo spesso), di parlare con un (od una), ingegnere elettronico, specialmente nel mio caso che sono un misero diplomato, quando mi metto a fare domande ricevo occhiate fulminanti perché la parola del maestro è legge, solo dopo che mi conoscono e capiscono che la mia domanda, (od affermazione che sia), non era un attacco personale, ma un dubbio da chiarire in merito a reali problematiche.

La tua metodologia ed esposizione mostra una chiara volontà di trovare una risposta al problema, al di là delle conoscenze reali o presunte, giustamente mettendo in dubbio anche le proprie convinzioni, con scopo di conoscenza profonda del fenomeno. Direi lodevole.

saluti. :ok:
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[10] Re: Protezione da impulsi veloci

Messaggioda Foto Utenteboiler » 4 nov 2018, 12:40

Lo sforzo è lodevole, ma c'è da chiedersi se porta ai risultati che si sperano di ottenere o meno.

Prima di tutto, cosa stiamo investigando?
Parli di impulsi veloci di ampiezza limitata che vanno direttamente sui uC.
Intendi eventi ESD? Quelli sono effettivamente veloci, ma hanno tensioni molto piú alte di quelle che hai usato.
Il campo di impiego dei TVS in realtà è però un altro: tosare eventi di surge e/o burst. Sono gli eventi di sovratensione causati dalla commutazione di grossi carichi, da eventi atmosferici,...

Strumenti di laboratorio in grado di generare questi impulsi si trovano in commercio, sono dispositivi particolari e, oltre al costo stratosferico, incompatibile con lo studio che sto eseguendo, sono anche di non facile reperibilità.


Verissimo. E forse un motivo c'è.
Ma oggi siamo fortunati. Abbiamo qui la misura del comportamento di un TVS.

Condizioni di misura:
- DUT: 1.5KE30A
- Luogo di misura: laboratorio di misura EMC accreditato IEC e CSA
- Strumento di misura: surge generator emtest VSS 500N12
- Strumento di monitoraggio: oscilloscopio LeCroy adeguato... non ricordo il modello
- Tensione di riposo: 12 V
- Tensione di surge: 1 kV
- Forma d'onda: 1.2/50 secondo IEC 61000-4-5 (0-100% dell'ampiezza in 1.2 us, 100%-50% in 50 us)

Risultato:
rise_time_1.5KE30A_at_1kV-1.2-50-surge.png


Il rise time del surge è, come detto, 1.2 us.
Il TVS sale in 22 us a circa 40 V. Su questa salita si vede bene la flessione dove entra in breakdown attorno ai 30 V.
Ciononostante, il fronte del surge (a soli 1.2 us) è piú veloce del TVS fino a circa 40 V.
Si raggiunge un massimo di 72 V.

Proveremo allo scopo due componenti di uso comune: uno zener e un TVS. I componenti testati sono un BZX84B5V1 in contenitore SOT-23 di produzione Vishay per lo zener, e un RLSD32A051LV in contenitore SOD-323 della Ruilon, per il TVS.


Beh, allora hai testato und zener e un ultra-low capacitance TVS/ESD array. E effettivamente il tuo impulso assomiglia piú ad un evento ESD che non surge.

È come fare una gara tra un'auto da corsa e una bicicletta e concluderne che un trattore è piú veloce di una motocicletta perché quest'ultima ha due ruote come la bici.

Oltre a questo problema, lo zener è in SOT23, mentre il "TVS" è in un package lineare. In queste condizioni, lo sforzo che hai fatto per minimizzare le induttanze parassite è perfettamente inutile. Ce le hai direttamente nel componente.

Lo studio presentato vuole mostrare che i guasti che spesso vengono ritenuti ‘inspiegabili’ e ai quali si cerca di porre rimedio con soluzioni ‘a tentativi’, se analizzate con la dovuta perizia e strumentazione, trovano sempre la loro motivazione.

Verissimo. E vale anche per le misure fatte per confrontare le patate con le mele.

Eseguire le prove illustrate con un oscilloscopio da 100 MHz o senza gli accorgimenti necessari ad evitare l’inquinamento delle misure da artifizi quali le riflessioni multiple tra generatore e carico mostrerebbero risultati distorti e probabilmente identici per entrambi i componenti.

Altrettanto vero. Ma come visto sopra, non è necessario scomodare le riflessioni multiple.

Con un certo malcelato disappunto della mia compagna

Mi dispiace. Non sarebbe stato necessario.

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