El aislamiento óptico se ha convertido en una realidad en la investigación, las mediciones industriales y los sistemas de control. Las ventajas que ofrece este enfoque benefician a las mediciones flotantes y de alta tensión debido al aislamiento inherente que ofrece. Las principales ventajas de la sonda ISOVP son:
- Mediciones en entornos de alta EMI. Los cables de fibra óptica no pueden captar las interferencias electromagnéticas, ya sea por corrientes pulsadas o por altas tensiones dV/dt.
- Alto aislamiento. Los cables de fibra presentan una capacitancia nula y una resistencia infinita en los terminales a todos los efectos prácticos. Esto proporciona una seguridad total cuando por ejemplo se realizan mediciones en zonas de alta tensión...

- Baja capacitancia de la punta. La sonda ISOVP fue diseñada para minimizar la capacitancia de la punta ya que es lo que perjudica la mayoría de las mediciones de alta frecuencia. Para una impedancia de fuente dada, la capacitancia de la punta forma un filtro de paso bajo que disminuye la señal de salida a altas frecuencias. Por lo tanto, la capacitancia de la punta debe ser un parámetro de selección tan importante como el ancho de banda al elegir una sonda.
- Baja carga de modo común. Dado que la sonda óptica está completamente aislada del entorno, la única capacitancia de modo común es la capacitancia parásita de la sonda al entorno. Es importante obtener mantener la capacitancia de modo común lo más pequeña posible ya que los transitorios de tensión producirán corrientes de modo común. Debido al pequeño tamaño de la sonda ISOVP, esta capacitancia se midió en torno a 1,5pF desde la sonda a un plano de tierra a 10cm de distancia. Esta capacitancia puede incluso hacerse más pequeña si el usuario elige una configuración diferente.

- Mediciones flotantes.  Las mediciones de flotación se han convertido en una parte importante de la electrónica moderna y de potencia, ya que para el funcionamiento fiable de los elementos de conmutación (IGBTs, Mosfets, tiristores...) se deben medir sus tensiones de puerta, y las topologías modernas suelen apilar estos semiconductores para poder manejar tensiones más altas. Dadas las distancias adecuadas de separación entre el cabezal de la sonda y el chasis, las sondas ópticas pueden flotar con seguridad hasta decenas de kV.
- Alto rechazo de modo común. En la electrónica de potencia no sólo es la norma encontrar altas tensiones de modo común, sino también las que cambian rápidamente. Y aquí es donde entran en juego las ventajas de carga en modo común y de aislamiento de la fibra de las sondas ópticas. Las sondas diferenciales tienen una relación de rechazo limitada y que disminuye rápidamente a medida que aumenta la frecuencia, mientras que las sondas ópticas ofrecen un rechazo mejorado.

-Longitud de cable seleccionable. Se pueden colocar hasta 15 m de cable de fibra entre el cabezal de la sonda y el receptor.
-  Calibración en caliente del cero y la ganancia. Debido a las derivas y los cambios de temperatura es necesario calibrar los enlaces ópticos. El ISOVP calibra el offset y la amplitud de la señal y lo hace mientras la fuente sigue conectada. Esto aumenta la seguridad del usuario, ya que no es necesario llegar a zonas potencialmente peligrosas.
- Espera y apagado remotos. Para aumentar la seguridad del usuario y la duración de la batería es posible poner tanto el cabezal de la sonda como el receptor en modo de espera pulsando un botón.
-  Compatibilidad con todos los osciloscopios. La sonda ISOVP se puede conectar a cualquier osciloscopio mediante un cable BNC. Una terminación interna de 50 Ohm es necesaria para el correcto funcionamiento de la sonda, pero incluso los osciloscopios que no tienen esta característica pueden utilizar la sonda con un alimentador externo de 50 Ohm. Se puede obtener una terminación externa opcional (código ISOVPTERM).
Las sondas diferenciales han sido el elemento básico en la medición de tensiones flotantes. Sin embargo, no son verdaderos dispositivos aislados, su ancho de banda es modesto y el rechazo del modo común está limitado tanto por las señales de alta frecuencia como por las fuentes con impedancia desajustada. Además, suelen ser ruidosos y no son aptos para medir valores de tensión bajos. Como observación adicional hay que señalar que algunas sondas diferenciales de alta tensión pueden mostrar un rechazo en modo común muy degradado después de algún tiempo desde su fabricación. Esto se debe a una mala elección del sustrato en la sección del divisor de alta impedancia que puede cambiar sus propiedades dieléctricas sin que el usuario pueda ajustarlo.

Medidas típicas con la sonda ISOVP
La tensión diferencial máxima de entrada del ISOVP está especificada como ±2,5V aunque no se saturará para entradas ligeramente superiores. Los atenuadores incluidos, x10 y x50 amplían el rango de entrada para cubrir la mayoría de las necesidades prácticas de medición.
El conector de entrada de la sonda ISOVP y de los atenuadores es del tipo SMB RF, que resulta conveniente por su facilidad de uso, ya que está ampliamente disponible, no requiere llave de torsión y puede conectarse a cables coaxiales comunes RG174 o similares. Saker recomienda el uso de conectores SMB de buena calidad, por ejemplo la referencia R114082000 de Radiall.

Cuando coloque manualmente el cabezal de la sonda, tenga en cuenta que la unidad está unida físicamente a la unidad receptora, por lo que al tirar del cabezal de la sonda puede tirar accidentalmente el receptor al suelo. También hay que tener cuidado de no tropezar con el cable de fibra que une el receptor y el cabezal de la sonda, ya que esto probablemente hará que ambas unidades caigan al suelo, pudiendo provocar un fallo en la unidad.

Atenuadores incluidos con la sonda ISOVP

Se recomienda siempre instalar el cabezal de la sonda sobre un soporte de trípode. Esto le dará a la sonda cierta estabilidad mecánica y asegurará el espacio libre entre la sonda y su entorno. Recuerde siempre que todas las partes metálicas del cabezal de la sonda están al mismo potencial.
La unidad ISOVP se suministra con dos cables adaptadores, uno con minigrabadores y el otro sin terminación para que el usuario pueda realizar la conexión adecuada a la configuración particular. Las minigrabadoras se conectan fácilmente a los cables finos o a los pequeños pines de los CI, como el paquete SO-8. El cable SMB sin terminación deja libertad de elección al usuario para realizar terminaciones adicionales. En la mayoría de los casos de medición, una típica cabecera recta de 2,54 mm instalada en la placa será una conexión suficientemente buena. Se pueden obtener cables SMB sin terminación adicionales (código ISOVPUC).

Arriba y en el centro: Cable SMB con minipinzas y cable SMD sin terminación (incluido con la sonda ISOVP). Abajo: adaptación por parte del cliente de un cable SMB a un cable de pines rectos de 2,54 mm.

Coloque el cabezal de la sonda firmemente en una superficie para que no se caiga accidentalmente, utilice correas de sujeción de plástico si es necesario. Una vez realizadas todas las conexiones eléctricas, encienda ambas sondas. El receptor puede colocarse en la zona de seguridad de baja tensión. Para ahorrar batería se recomienda poner la sonda y el receptor en standby desde el receptor siempre que no sean necesarias las medidas, esto se puede hacer con sólo pulsar una tecla en el receptor. También antes de tomar medidas de alcance calibrar la sonda con el botón CAL, y hacerlo de vez en cuando si

Dos sondas ISOVP con atenuadores x10 midiendo tensiones de puerta de IGBT en un inversor multinivel de media tensión. Obsérvese el uso de trípodes en los cabezales de las sondas (imagen proporcionada por el cliente)

La temperatura ambiente cambia rápidamente. El ISOVP admite calibraciones en caliente para no tener que desconectar el DUT (dispositivo bajo prueba).

Probando un optoacoplador con las minigrabadoras suministradas

Recuerde que el receptor requiere una carga de 50 Ohm para que la sonda se calibre. Si la calibración falla, compruebe si la patilla central del BNC de entrada del osciloscopio hace buen contacto con el cable BNC suministrado.

Mediciones de bajo nivel
La sonda ISOVP es muy adecuada para la medición de señales de bajo nivel, especialmente si se utiliza un osciloscopio digital con exceso de ancho de banda y velocidad de muestreo.
La atenuación x10 inherente a la sonda ISOVP aumenta el ruido visto en el osciloscopio en relación con la señal. Sin embargo, los osciloscopios digitales modernos cuentan con un útil modo de alta resolución que eliminará la mayor parte del ruido de la señal. Además, aunque tradicionalmente los osciloscopios digitales de 8 bits eran la norma, los osciloscopios con ADC de 12 y 14 bits están empezando a ser comunes en el mercado. Todas estas características se traducen en señales más claras y en la eliminación de más ruido.
Como ejemplo, generamos una onda cuadrada de 10mVpp y 10kHz y la introdujimos en el cabezal ISOVP sin atenuador. El osciloscopio de 8 bits se configuró en modo High-Res, el resultado de la medición se puede ver en la siguiente imagen. Con osciloscopios de 10, 12 o 14 bits la mejora sería más apreciable. La medición de niveles bajos como este puede ser útil en las mediciones de ruido y ripple.

Señal de 10kHz 10mVpp introducida en la sonda ISOVP con el osciloscopio en modo Hi-Res

Mediciones de ondulación
La ondulación o ripple puede ser una señal de posibles problemas de diseño y fiabilidad en algunos sistemas. Por lo general, el ripple está montado sobre un nivel de CC y la mayoría de los osciloscopios tienen una capacidad limitada de compensación de CC cuando la escala vertical se establece en un ajuste más sensible. Las líneas de alimentación o las líneas en las que interfieren los picos de conmutación podrían ser el objetivo de las mediciones de ondulación.
Para ayudar en estas mediciones, Saker ofrece un condensador de bloqueo de CC externo (código de pedido ISOVPDC) con entrada/conectores SMB. Tiene un condensador de 1uF de 500V en su interior, una tensión continua suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas. El límite de tensión de CA para este accesorio es de 20Vpk y está ahí para proteger la entrada de la siguiente etapa.

Medición de altas tensiones con sondas comerciales e ISOVP
La tensión máxima medible con el ISOVP utilizando los atenuadores incluidos está limitada a unos 130V. Sin embargo, hay situaciones prácticas en las que un usuario puede necesitar medir tensiones más altas, como las que se encuentran en los condensadores de bus, Vce de los IGBT o inductores flotantes.

La impedancia de entrada de la sonda ISOVP está especificada como 1MOhm con una pequeña capacitancia en paralelo. Esto imita la impedancia que se ve en los osciloscopios y, por lo tanto, la sonda es muy adecuada para el uso de sondas de terceros, como las sondas pasivas comunes x10, x100 y x1000 que se encuentran en el mercado. El uso de sondas de alta tensión x1000 es de especial interés debido al amplio rango de medida que proporcionan.
Una sonda x1000 muy conocida en el mercado es la Tektronix P6015A, con una impedancia de entrada de 100MOhm y 3pF y 75MHz de ancho de banda. El uso de esta sonda también añade algo de retardo, 15ns para un cable de 10 pies. La caja de compensación de salida puede soportar osciloscopios con una capacitancia de entrada de 7 a 49 pF. Para una adecuada precisión de los pulsos es de suma importancia realizar el ajuste de la caja de la sonda de compensación en la respuesta de los pulsos para el osciloscopio particular con el que el usuario va a realizar las mediciones. Se debe utilizar un pulso cuadrado de 1000V o superior para realizar dicho ajuste.
Una sonda como la P6015A puede ser conectada directamente a la sonda ISOVP o a través de los atenuadores x10 o x50. Juntos permitirán al usuario realizar mediciones seguras de flotación y de alta tensión. La capacitancia de entrada de 6pF de la sonda ISOVP más los cerca de 4pF que añade un adaptador BNC RF Tee, harán que la caja de compensación de la P6015A entre en el rango de ajuste.

Conexión de una sonda 1000x a través de una T BNC. Otros tipos de sondas pueden conectarse de la misma manera. El puerto BNC adicional puede utilizarse para añadir una capacidad de compensación adicional en caso de que la sonda lo necesite.

Medición de señales flotantes con altas tensiones de modo común
Las mediciones con diferencias entre tierras, o tensiones de modo común, se denominan mediciones flotantes y se dice que flotan por la cantidad de tensión de modo común. Una medición flotante ideal sería insensible a las señales de modo común. Las tensiones de modo común pueden ser bastante constantes a lo largo del tiempo o variar rápidamente, lo que ocurre en los modernos convertidores conmutados.
Las topologías electrónicas de potencia modernas se basan en gran medida en semiconductores de conmutación que se apilan para manejar tensiones más altas. Topologías como CHB, NPC o los típicos puentes H son ejemplos de este tipo. En este entorno, las mediciones flotantes son imprescindibles para una correcta resolución de problemas, pero la mayoría de las sondas están referenciadas a tierra, lo que deja al usuario con la única opción de las sondas diferenciales y sus limitaciones, o de la flotación de un osciloscopio, con sus riesgos inherentes.

Aunque algunas mediciones parecen estar referenciadas a tierra, es mejor considerarlas como mediciones flotantes, ya que la inductancia y la resistencia parásitas de uno de los puntos de sondeo a tierra afectan en gran medida a la medición en sistemas de alta corriente o de pulsos rápidos.

En general las magnitudes que se deben considerar al realizar mediciones en flotación son las siguientes:
● Tensión diferencial entre los puntos de sondeo.
● Impedancia de la fuente en los terminales de sondeo
● Máxima tensión de modo común.
● Velocidad de giro máxima de la tensión de modo común.

La medición de A a B se verá muy afectada por las altas corrientes y tensiones pulsadas por L y R parásitos si se toma como una medición referenciada a tierra. La medición de la tensión de puerta de lado alto C a D es típica en la electrónica de potencia y necesitará una sonda con la capacidad adecuada no sólo para esa tensión de modo común en particular, sino también para las velocidades de conmutación creadas por el MOSFET LS(Low Side).

Las sondas ópticas son especialmente útiles a la hora de realizar mediciones de flotación y la sonda ISOVP puede flotar con seguridad a miles de voltios y sólo cargará ligeramente los puntos de sondeo.
Como plataforma de prueba para generar modos comunes grandes y rápidos se construyó el circuito de la siguiente imagen. Limitando la corriente de conmutación del MOSFET con una gran resistencia de drenaje es posible crear voltajes de modo común variables con una alta velocidad de giro. En estas pruebas se utilizó un MOSFET de 4,5kV (IXTH02N450HV de Ixys). Un oscilador de 40kHz alimentado por batería de 1,5V está flotando en el drenaje del MOSFET y la sonda ISOVP está configurada para medir este voltaje directamente sin atenuadores.

Circuito de prueba para generar modos comunes de media tensión que varían rápidamente. La medición de una señal de 1,5Vpp en una tensión de 3,6kV supone un reto para cualquier investigador. El oscilador y el conductor no están sincronizados.

Medidas del circuito de prueba. CH2: Salida del oscilador de 1,5V (A-B) medida con la sonda ISOVP. CH3: Vgs del Mosfet. CH4: Mosfet Vds

Vista detallada del pulso de conmutación. A la izquierda del flanco de caída de CH4, el oscilador (CH2) está flotando a 3,6kV y a casi 0 a su derecha. Una medida de tensión tan baja es casi imposible de realizar con una sonda diferencial dado el alto modo común de la señal, el ruido.

Al realizar este tipo de mediciones es importante mantener una distancia suficiente entre la sonda y cualquier parte metálica cercana al circuito. Cuanto más rápido sea el dV/dt, mayor será la corriente de fuga para una determinada capacitancia de modo común.

Izquierda: Detalle del borde de caída del drenaje del Mosfet. CH3: Mosfet Vgs. CH4: MOSFET Vds, tiene una velocidad de giro superior a 35kV/us. 
R1: Salida del oscilador capturada con una ligera distorsión de 0,2V
por la interferencia de modo común en el momento de la conmutación

Derecha: Misma medición que el gráfico de la izquierda, pero con ude 500V en lugar de 3600

Sobre la CMRR de las sondas
Una sonda perfecta detectaría sólo la componente de tensión deseada y rechazaría toda la componente de tensión de modo común. Por lo general, las sondas con referencia a tierra no pueden utilizarse cuando hay modos comunes, a menos que el propio osciloscopio esté aislado. Por lo tanto, la solución tradicional ha sido la sonda diferencial.
La relación de rechazo de modo común es una medida de cuánto rechaza el amplificador la tensión de modo común con respecto a la tensión diferencial. Se sabe que las sondas diferenciales tienen una CMRR menos que admirable a altas frecuencias y el problema empeora si la impedancia de la fuente es desigual. En las sondas ópticas el amplificador es de una sola punta y como es flotante y no hay retorno a tierra un desequilibrio en las impedancias de la fuente no implica un empeoramiento de la CMRR.
Normalmente, la CMRR se hace más pequeña a medida que aumenta la frecuencia. Por razones históricas y de facilidad, la CMRR se ha medido con un tono de frecuencia variable. Sin embargo, en las aplicaciones de la vida real nadie mide ondas sinusoidales puras, sino señales pulsadas que tienen múltiples componentes de frecuencia. En realidad, una medida de rendimiento basada en el slew-rate sería más útil para el desarrollador.
En la práctica, las mediciones de CMRR frente a la frecuencia se utilizan sobre todo para comparar el rendimiento con diferentes fabricantes y como herramienta de marketing. Sin embargo, incluso para esta aplicación son herramientas con deficiencias. Por un lado, no existe una configuración de prueba clara y estándar que los fabricantes deban respetar, por ejemplo, el nivel de potencia del tono aplicado como señal de modo común. También la CMRR depende del rango de tensión de entrada de la sonda, es decir, las CMRR serían diferentes para sondas con un rango de entrada de ±0,5V, ±1 o ±10V. Por último, algunos fabricantes incluyen en la CMRR la atenuación inherente de la sonda para que los números parezcan mejores.

Consejos y trucos generales de medición
- Recuerde las magnitudes importantes para cada medición. Cada vez que se realiza una medición con la sonda ISOVP se deben tener presentes las magnitudes más relevantes. Estas magnitudes deben compararse para no sobrepasar los valores máximos de los atenuadores y la sonda y garantizar la seguridad del personal.
-Máxima tensión diferencial a medir
-Tensión de modo común de la fuente
Tensión de modo común de la fuente -Tasa de giro de la frecuencia de conmutación de la tensión de modo común -Impedancias de la fuente
- Mantener asegurados el cabezal de la sonda y el receptor. Ambas unidades están unidas por los cables de fibra óptica por lo que hay que tener cuidado al colocar manualmente una de las unidades, ya que se puede tirar la otra al suelo sin querer. Además, cuando se colocan ambas unidades es posible tropezar con los cables de fibra. Por lo tanto, es aconsejable, por ejemplo, asegurar el trípode del cabezal de la sonda con un plástico, una corbata de velcro o algo similar. Ambas unidades contienen componentes electroópticos sensibles que pueden sufrir si se someten a golpes mecánicos.
- Mantenga las distancias. Todo el cabezal de la sonda está aislado ópticamente y puede flotar potencialmente a miles de voltios. Se ha probado un máximo de 50kV para el ISOVP. Sin embargo, el usuario debe aconsejar la holgura adecuada dada la tensión y la frecuencia de conmutación de la tensión de modo común. Las frecuencias de modo común más altas crearán mayores corrientes de fuga a tierra. Utilice siempre un trípode de plástico no conductor para aumentar las distancias entre la sonda y cualquier superficie conductora cercana.
- Mantenga las conexiones a la sonda cortas. Las técnicas generales de sondeo se aplican al realizar mediciones con la sonda ISOVP. El cuidado que se tiene al hacer las conexiones de la sonda debe aumentar cuando los circuitos generan grandes oscilaciones de dI/dt o dV/dt. El campo eléctrico se acopla en las líneas que no están apantalladas, y el campo magnético crea diferencias de tensión en los bucles eléctricos. Por lo tanto, en general, es mejor transmitir la señal medida en un cable coaxial durante la mayor parte de la distancia entre los puntos de la sonda y la entrada del atenuador. El cable coaxial sin terminación que se suministra puede utilizarse para adaptar terminaciones específicas de coaxial a placa, como conectores coaxiales, cabezales de 2 pines o terminales de anillo de engarce.
- No te olvides del modo de espera. Cuando la sonda no esté en uso, utilice la función de espera que pone el receptor y el cabezal de la sonda en modo de baja potencia. La mayoría de las veces las mediciones sólo son necesarias durante un periodo corto de tiempo. El cabezal de la sonda debe funcionar con baterías debido a los requisitos de aislamiento y su consumo de energía es mayor que el del receptor debido a los requisitos de transmisión óptica.

- Utilice la autocalibración. Esta función se encarga de ajustar el offset y la ganancia de la sonda. El uso de esta función sólo lleva unos segundos y puede ejecutarse en cualquier momento sin desconectar la señal de entrada, por lo que se recomienda utilizarla cada pocos minutos y justo antes de cualquier medida importante.

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