Guide sur la protection des entrées d'oscilloscope contre la surtension

Faites le tour de n'importe quel laboratoire d'ingénierie ou département de test, et vous trouverez des instruments avec de petites étiquettes accrochées à une connexion d'entrée portant une mention « NG », « intermittent » ou « défectueux ». Il y a de fortes chances qu'il s'agisse d'oscilloscopes, l'un de nos instruments de mesure électroniques les plus utilisés. En plus d'être omniprésents, ils sont aussi généralement coûteux, avoisinant 10 000 à 12 000 USD par gigahertz (GHz) de bande passante. Compte tenu du coût de l'instrument, les ingénieurs et les techniciens doivent connaître la meilleure façon de protéger les entrées de ces instruments et d'éviter d'avoir à y accrocher de petites étiquettes.

Prenons l'exemple d'un oscilloscope typique de 1 GHz, doté à la fois d'entrées de 50 ohms (Ω) et de 1 mégaohm (MΩ). L'entrée de 50 Ω a une sensibilité de tension de 1 millivolt (mV) par division (mV/div) à 1 volt (V) par division (V/div). La sensibilité de l'entrée de 1 MΩ s'étend de 1 mV/div à 10 V/div.

Protection des entrées 50 Ω

L'entrée de 50 Ω a une entrée de tension maximum de 5 V RMS, définie par la puissance nominale de la terminaison interne. Ces 5 V RMS appliqués à une résistance de 50 Ω dissipent 0,5 watt (W) (courant [I] = V/R = 5 V/50 Ω = 0,1 ampère [A] ; puissance = V× I = 5 × 0,1 = 0,5 W).

Que faire si vous devez mesurer une tension supérieure à 5 V ? Il suffit d'utiliser un atténuateur en ligne comme le CATTEN-03R0-BNC de Crystek Corporation (Figure 1).

Figure 1 : Un atténuateur en ligne augmente la capacité de tenue en puissance des entrées 50 Ω de l'oscilloscope et de l'analyseur de spectre. (Source de l'image : Crystek Corporation)

Les atténuateurs réduisent le niveau de puissance d'un signal sans le déformer. Les versions en ligne coaxiales fournissent une atténuation fixe et sont disponibles dans de nombreux types de connecteurs, avec une variété de configurations de fiches et de jacks.

Le CATTEN-03R0-BNC est un atténuateur BNC de 3 décibels (dB) et 50 Ω, avec une largeur de bande de 0 à 1 GHz et une puissance nominale de 2 W. C'est l'un des modèles disponibles dans la ligne de produits de Crystek avec des atténuations de 1 à 20 dB. Étant donné que la tension d'entrée maximum de l'atténuateur est limitée par sa puissance nominale, l'utilisation d'un atténuateur de 3 dB augmente la tension d'entrée maximum de l'oscilloscope à 7 V.

Pour les oscilloscopes avec des largeurs de bande supérieures à 1 GHz, vous pouvez utiliser un atténuateur en ligne de 2,92 mm tel que le SF0915-6200-03 d'Amphenol SV Microwave, un atténuateur de 3 dB et 50 Ω avec une largeur de bande de 0 à 40 GHz.

L'étalonnage de l'oscilloscope peut être maintenu à l'aide des fonctionnalités de mise à l'échelle d'entrée présentes sur la plupart des oscilloscopes. Pour un atténuateur de 3 dB, l'entrée est mise à l'échelle par un facteur multiplicatif de 0,707. La précision de ces atténuateurs est généralement supérieure à 1 dB.

Protection des entrées 1 MΩ

Une entrée 1 MΩ a une tension nominale maximum typique de 400 V (CC + CA crête) pour les fréquences d'entrée inférieures ou égales à 10 kilohertz (kHz). Bien qu'il s'agisse d'une spécification considérablement plus renforcée, elle peut tout de même être endommagée par des transitoires de tension haute amplitude causés par la foudre ou d'autres phénomènes d'interférences électromagnétiques (EMI).

Une entrée 1 MΩ peut être protégée à l'aide de limiteurs de surtension tels que des éclateurs, des tubes à décharge gazeuse ou des diodes qui claquent pour décharger les surcharges électriques vers la terre avant qu'elles ne puissent provoquer des dommages.

Le LP-GTR-NFF d'Amphenol Times Microwave Systems est un limiteur de surtension en ligne à connecteur type N qui utilise un tube à décharge gazeuse remplaçable. Le tube claque à des tensions CC au-dessus de ±90 V/20 A et peut supporter des surcharges jusqu'à 50 W. Il est inséré en ligne et présente une largeur de bande de CC à 3 GHz, avec une perte d'insertion de 0,1 dB jusqu'à 1 GHz, et de 0,2 dB jusqu'à 3 GHz (Figure 2).

Figure 2 : Le limiteur de surtension LP-GTR-NFF utilise un tube à décharge gazeuse remplaçable pour protéger les lignes coaxiales contre les pointes transitoires jusqu'à 50 W. (Source de l'image : Amphenol Times Microwave Systems)

Les limiteurs de surtension sont généralement placés en série avec l'entrée de l'instrument et sont normalement nécessaires pour les instruments connectés à de longues lignes de communication de données ou électriques où des tensions transitoires élevées peuvent apparaître.

Suppression d'une tension de polarisation continue

Certaines applications de mesure, comme la mesure de l'ondulation sur un bus d'alimentation CC, requièrent un bloc CC pour supprimer la polarisation continue afin de permettre l'utilisation d'une échelle verticale plus sensible. Le bloc CC est un adaptateur coaxial qui utilise un condensateur série pour permettre le passage de signaux haute fréquence.

Les blocs CC sont désignés pour des impédances caractéristiques spécifiques, généralement 50 Ω ou 75 Ω. Le CBLK-300-3 de Crystek Corporation est un bloc CC conducteur interne de 50 Ω qui transmet des signaux avec des fréquences de 300 kHz à 3 GHz tout en bloquant les niveaux CC jusqu'à 16 V (Figure 3). Il présente de faibles pertes d'insertion et par réflexion sur sa gamme de fréquences de fonctionnement.

Figure 3 : Le CBLK-300-3 de Crystek bloque de CC jusqu'à 16 V et transmet des signaux avec des fréquences de 300 kHz à 3 GHz. (Source de l'image : Crystek Corporation, modifiée par l'auteur)

Conclusion

Les oscilloscopes sont les meilleurs amis des concepteurs, et avec un peu d'attention, ils ne finiront pas abandonnés. Les outils mentionnés plus haut permettent d'éviter cela en réduisant la tension maximum constatée par l'entrée des instruments, permettant ainsi de laisser les petites étiquettes dans un tiroir plutôt que de les accrocher sur les instruments.