La misura della corrente su un PCBA e la sua osservazione grafica è oggi possibile grazie a un micro-magnetometro capace di misurare correnti da 10 mA a 20 A picco-picco, sia in regime di corrente continua che in frequenze fino a 5 MHz
La sonda per la misura di corrente I-prober 520 di TTi introduce una modalità non convenzionale nel mondo della misura della corrente. Può rilevare e misurare la corrente sulle piste di un PCBA e su altri conduttori come le sonde tradizionali non potrebbero fare. Questa potenzialità include la capacità di rilevare il passaggio di correnti anche nei collegamenti interni dei componenti, sui pin dei componenti e sui piani di massa. Lo strumento ha dimensioni estremamente contenute, per cui è facile accedere anche a punti di misura su schede densamente popolate.
Di norma la corrente può essere rilevata aprendo un circuito ed inserendo uno shunt (che ricordiamo converte la corrente in tensione) o avvolgendo il conduttore con un rilevatore magnetico di tipo toroidale, come avviene nelle pinze amperometri che tradizionali.
Il più delle volte è poco agevole il dover aprire il circuito su una scheda assemblata per poter misurare la corrente che vi circola, vorrebbe dire dissaldare un componente o peggio tagliare una pista.
Con questa sonda si possono invece rilevare correnti su circuiti DC così come su circuiti in frequenza fino a 5MHz, semplicemente appoggiando la terminazione isolata della sonda sul conduttore.
La sonda ha inoltre l’incomparabile pregio di essere compatibile con gli oscilloscopi di tutte le marche.
La misura della corrente
Le sonde per la misura in corrente continua, in realtà non misurano direttamente la corrente, ma l’intensità del campo magnetico. La corrente che circola in un conduttore crea un campo magnetico che è direttamente proporzionale alla corrente stessa. Se il conduttore è circondato da un rilevatore di campo magnetico (materiale ferromagnetico ad alto valore di permeabilità magnetica), questo flusso è rilevato e proporzionalmente convertito in una misura di corrente.
Le sonde convenzionali eseguono la misura catturando il campo magnetico attraverso un anello realizzato con un materiale ad alta permeabilità magnetica. Il campo è misurato tramite un sensore di campo, usualmente del tipo ad effetto Hall. In alternativa la corrente alternata può essere misurata attraverso un avvolgimento che crea un primario attorno al conduttore.
In un dispositivo ibrido si utilizza un sensore di campo per la misura della corrente in continua e a basse frequenze, mentre impiega l’effetto trasformatore per le alte frequenze.
A oggi le sonde di corrente sono costituite da due semi circuiti che si serrano attorno al conduttore chiudendosi in un unico circuito (da cui la definizione di pinza). La posizione del conduttore su cui effettuare la misura all’interno di questo anello ha poco effetto sul risultato finale.
La misura della corrente su un PCBA è particolarmente difficile perché normalmente non è conveniente interrompere una traccia o scollegare il pin di un componente, ed è diversamente impossibile far passare la pista all’interno del circuito magnetico di rilevamento.
L’unica via percorribile per osservare e misurare l’andamento della corrente all’interno dei circuiti di un PCBA è mediante la rilevazione del campo magnetico in prossimità delle piste o dei terminali dei componenti.
Perché questa tecnologia sia funzionale è richiesta un’ottima calibrazione del sensore, che deve rimanere a una precisa e ripetibile distanza dal conduttore su cui va eseguita la misura.
Per avere una buona sensibilità questa distanza deve essere d’altro canto piuttosto limitata perché approssimativamente il campo magnetico si riduce proporzionalmente al quadrato della distanza.
Per creare una sonda di misura che fosse concretamente utilizzabile nel quotidiano, è stato necessario creare un sensore particolarmente miniaturizzato che avesse come requisiti tecnici caratteristiche dimensionali molto precise, la capacità di rilevare correnti continue, un’ampia larghezza di banda in regime di misura delle correnti alternate e basso livello di disturbi. Un insieme di requisiti che nessuna sonda amperometrica possedeva.
I-prober 520 utilizza il consolidato principio di funzionamento del magnetometro fluxgate; una tecnologia che fino a oggi è stata limitata da una larghezza di banda di pochi KHz e di conseguenza impiegata per misure di precisione del campo magnetico in aree non di produzione elettronica come la geofisica. Il concetto di posizionare una sonda di corrente in prossimità del conduttore, in realtà non è completamente nuovo, ma i primi modelli erano in grado di misurare solo elevate correnti a basse larghezze di banda.
Il sensore inglobato nella sonda I-prober 520 e posizionato sulla punta, ha dimensioni di qualche centinaio di micron ed è racchiuso all’interno di un materiale speciale, che non genera nessun tipo di interferenza. Questo consente di poter utilizzare una frequenza di eccitazione di diverse decine di MHz che si traducono a livello sensore in una banda che va dalla continua ai 5 MHz, con una generazione di disturbi trascurabile.
Riassumendo la sonda è quindi caratterizzata dai seguenti vantaggi:
• poter osservare e misurare la corrente in una pista PCBA;
• effettuare misurazioni senza contatto;
• adatta per la misurazione della corrente nei pin dei componenti e nei piani di massa (oltre che sulle piste);
• ampia gamma dinamica da 10 mA a 20 A picco-picco;
• ampia larghezza di banda da DC a 5 MHz;
• basso rumore, equivalente a <6 mA rms a piena larghezza di banda;
• minima interferenza col funzionamento del circuito sotto test grazie all'impedenza di inserzione e alla capacità parassita molto basse;
• Classe di sicurezza fino a 300 V Cat II (600 V Cat I);
• adatto per il collegamento a qualsiasi oscilloscopio;
• sonda di campo H per uso generico ad alta precisione;
• convertibile in sonda di corrente a circuito magnetico chiuso.
Note di funzionamento
La grandezza del segnale rilevato dalla sonda è criticamente in relazione alla posizione del sensore rispetto alla pista e alla dimensione di quest’ultima, ma attraverso la control box si può calibrarne la sensibilità.
I risultati della misura dipendono anche da altri effetti che si presentano al puntale della sonda e non necessariamente in arrivo con la corrente da misurare nel conduttore, come ad esempio l’influenza del campo magnetico generato dai componenti attigui e dal campo magnetico terrestre o da quello generato da altre sorgenti presenti nell’ambiente, come i trasformatori. Anche la corrente che percorre tracce adiacenti o posizionate sul lato opposto del PCB potrebbero interferire nella misura.
Ci sono comunque le soluzioni anche per questi potenziali problemi. Le interferenze dovute alla corrente alternata si possono attenuare mediante appositi filtri contenuti nella control box, che contiene anche un’ampia gamma di controlli di offset per le misurazioni in continua. È comunque indispensabile la conoscenza sia del circuito che dell’intero sistema, perché comunque, come spesso succede, i risultati bisogna anche saperli interpretare.
Con molti circuiti di switching che lavorano in alta frequenza, la sola inserzione di un breve tratto di conduttore può cambiare l’induttanza per quel tanto che basta ad alterare le prestazioni del circuito; la sonda I-prober 520 a differenza delle altre sonde convenzionali ha bassissimi livelli di impedenza e una trascurabile capacità parassita.
Lavorando su circuiti alimentati può capitare che si debbano realizzare misurazioni in aree che raggiungono alte temperature d’esercizio, ma la sonda è realizzata con materiali che gli permettono di lavorare a contatto con componenti a 120 °C per periodi prolungati o a 150 °C per brevi intervalli.
La sonda è progettata anche per lavorare con tensioni dell’ordine dei 300 V rms sui circuiti direttamente collegati sulla linea AC e con tensioni di 600 V rms su circuiti secondari.
Sebbene la missione primaria della sonda I-prober sia la misura a contatto del flusso di corrente, ci sono dei casi in cui risulta utile il metodo classico di circondare col rilevatore il filo conduttore. La sonda è fornita standard con un toroide che inserendosi a pressione sulla punta della sonda chiude il circuito magnetico, al cui interno passa il filo su cui va effettuata la misura. Il toroide è aperto fino al momento in cui il puntale della sonda non lo penetra per cui non è necessario scollegare il filo su cui eseguire la misura.
Ultima, ma non per importanza, è anche la prestazione di misura del campo elettromagnetico, realizzata con particolare accuratezza in virtù della ridotta dimensione del sensore. La variazione del campo al variare della posizione della terminazione sensibile della sonda consente di individuarne con precisione la sorgente e l’andamento spaziale. Con uno switch sulla control box si reimposta la scala di misura per avere l’andamento in tesla o in amper/metro.
