Flujos rápidos, alta intensidad: sondas de corriente para SiC y GaN
Por qué una sonda de corriente para osciloscopio necesita tanto un mayor ancho de banda como una frecuencia útil más alta para estar a la altura de los semiconductores de potencia modernos, y cómo los nuevos modelos CT6704 y CT6705 de HIOKI ofrecen estas características.
Lo suficientemente rápido para flancos pronunciados
Los procesos de conmutación en los componentes de SiC y GaN son tan rápidos que una sonda solo puede representarlos con fidelidad si su ancho de banda supera con creces la frecuencia fundamental. El CT6704 sustituye al 3274, el CT6705 al 3275, y el salto en cuanto a ancho de banda es considerable.
El CT6704 cubre desde CC hasta 30 MHz con un tiempo de subida de 11,6 ns, mientras que el 3274 alcanzaba desde CC hasta 10 MHz con 35 ns. El CT6705 cubre desde CC hasta 15 MHz con un tiempo de subida de 23,3 ns, frente a los CC hasta 2 MHz y los 175 ns del 3275. Esto supone aproximadamente el triple de ancho de banda en un caso y más de siete veces en el otro, con tiempos de subida correspondientemente más cortos. En el caso de una señal real, esta es la diferencia entre el propio flanco y una aproximación al mismo.
Corriente nominal que se extiende hasta bien entrado el rango de los kilohercios
Las sondas de corriente tienen un segundo límite, y este ha llevado a muchos, sin que se dieran cuenta, a optar por una sonda con una corriente nominal más alta, que, por lo general, ofrecía un ancho de banda menor: la reducción de potencia. A medida que aumenta la frecuencia, una sonda ya no puede soportar toda su corriente nominal, ya que, de lo contrario, se calentaría en exceso. Por lo tanto, el valor admisible disminuye cuanto mayor es la frecuencia. La causa de ello es el calor, más concretamente las corrientes parásitas que excitan las corrientes de alta frecuencia en el metal de la sonda.
En las sondas más antiguas, este límite era sorprendentemente bajo. La 3274 solo mantenía su corriente nominal completa hasta algo más de 100 Hz, antes de que la curva comenzara a descender; la 3275 llegaba hasta los 400 Hz. Para la electrónica de potencia moderna, de conmutación rápida, esto es demasiado bajo: las frecuencias de conmutación se sitúan desde hace tiempo muy por encima, en un rango en el que la antigua sonda solo soportaba una fracción de su corriente nominal. La solución habitual era un modelo de mayor capacidad, pero que, en la mayoría de los casos, ofrecía menos ancho de banda y, por lo tanto, un tiempo de subida más lento. Se ganaba en corriente, pero se perdía en velocidad.
Los modelos CT6704 y CT6705 resuelven este problema gracias a un diseño magnético y térmico que mantiene bajo el calentamiento interno a altas frecuencias. A temperatura ambiente, el CT6704 mantiene su corriente nominal completa hasta los 100 kHz y el CT6705 hasta los 10 kHz, mientras que sus predecesores ya alcanzaban el límite a poco más de 100 Hz y 400 Hz, respectivamente.
La velocidad se mantiene, el derrape continúa
Los modelos 3274 y 3275 registraban la componente de corriente continua y de baja frecuencia mediante un elemento Hall. Se trata de un semiconductor cuyo equilibrio varía con la temperatura: a medida que la sonda se calienta, la línea cero se desplaza. Y una sonda se calienta con facilidad. Por ejemplo, en un entorno cálido, cerca de la electrónica de potencia, que se calienta con el tiempo, y sobre todo debido a los componentes de señal de alta frecuencia que la calientan desde el interior. La corriente continua medida, por el contrario, apenas la calienta: no es la causa de la deriva.
Los modelos CT6704 y CT6705 sustituyen el elemento Hall por un fluxgate, sin renunciar por ello al amplio ancho de banda, que es decisivo para estas sondas. Al contrario: en las nuevas sondas es incluso notablemente mayor. Y el fluxgate aporta su principal ventaja: una línea cero que apenas deriva con la temperatura. Concretamente, alrededor de un 90 % menos de deriva de corriente continua; por primera vez en una sonda de corriente para osciloscopio, se incluye en la ficha técnica un coeficiente de temperatura del offset (±0,1 mV/°C), y un rango de temperatura de funcionamiento de −10 a +50 °C en lugar de 0 a 40 °C.
Se trata del mismo principio de medición que el de los sensores de precisión de nuestros analizadores de potencia, un detector de eficacia probada que ahora también se integra en una sonda abatible con conector BNC estándar. (Ya hemos explicado en otra ocasión de dónde proviene realmente el nombre un tanto peculiar de «Zero-Flux», con una pequeña digresión sobre «Regreso al futuro».)
¿Entonces sí que hace falta una sonda para medir la potencia?
Una pregunta lógica: si el osciloscopio ya tiene ante sí la corriente y la tensión, ¿por qué no calcular directamente la potencia a partir de ellas? La respuesta requiere cierta precisión, ya que «medir la potencia con un osciloscopio» se divide en dos aspectos muy distintos.
El primero son las pérdidas de conmutación en el semiconductor, es decir, la energía que se consume en cada encendido y apagado. En este aspecto, el osciloscopio no tiene rival: capta flancos que el ancho de banda de un analizador de potencia no puede seguir, y precisamente para eso están diseñados los modelos CT6704 y CT6705.
El segundo aspecto son los balances de potencia en todo un circuito: la eficiencia, las pérdidas totales, lo que entra frente a lo que sale. Esto también lo puede calcular un osciloscopio de alta resolución. En este sentido, la fase entre la corriente y la tensión resulta decisiva, y lo es tanto más cuanto menor es el factor de potencia, donde incluso un mínimo error de fase distorsiona considerablemente la potencia activa. Por ello, la medición precisa de la potencia requiere un analizador de potencia con sensores cuyo desfase se mantenga lo más constante posible en el rango de frecuencias relevante; para obtener la máxima precisión, se necesita un transformador de inserción como el CT6904A. El CT6705 establece otras prioridades: un flanco fiel al original y un tiempo de subida rápido. Sin embargo, no está diseñado para la medición precisa de la potencia de CA. (En un artículo específico hemos explicado por qué la fase lo decide todo en la medición de potencia).
