Jak uprościć pomiary wysokich napięć stałych

63_65_got

Pomiar skrajnie wysokich napięć stałych rzędu 10kV lub wyższych zwykle wymaga odpowiednio wyposażonego woltomierza wysokiego napięcia lub cyfrowego multimetru z dzielnikiem wysokiego napięcia, a także zachowania odpowiednich środków ostrożności.
Proponowany prosty alternatywny obwód oparty na tanim układzie timera CMOS może również zapewnić dokładne odczyty wysokich napięć stałych do 15kV za pomocą bezpośrednich pomiarów.
Timer firmy National Semiconductor LMC555, jest wersją w technologii CMOS popularnej serii timerów ogólnego przeznaczenia rodziny 555.
W tym zastosowaniu do pomiarów wysokonapięciowych timer jest wykorzystywany, jako obwód oscylatora swobodnego z zależnością od prądu wysokiego napięcia pochodzącego z mierzonego źródła.
Obwód pomiarowy wysokiego napięcia (patrz rysunek) wykorzystuje zegar LMC555, jako obwód oscylatora swobodnego, z napięciem/prądem ze źródła zasilanego przez duży rezystor 100MΩ, 15kV (R1), dokładność 1kΩ (1% tolerancji) rezystor metalowy (R2) i kondensator 1nF (C1).
Kondensator C1 jest ładowany energią ze źródła napięcia przeznaczonego do mierzenia i rozładowywanego za pomocą rezystora R2, jednocześnie służąc do sterowania częstotliwością/taktowaniem obwodu LMC555.
Mierzone napięcie (V) określa się za pomocą [V – VC(t)]/R1, gdzie VC jest napięciem kondensatora ładowania C1.
Dla uproszczenia wszelkie zmiany napięcia kondensatora VC są ignorowane podczas wykonywania pomiarów wysokonapięciowych.
Częstotliwość oscylacji swobodnych LMC555 jest ograniczona do około 30kHz, co pozwala na wykorzystanie dodatkowego, prostego obwodu sterowanego mikroprocesorem do zliczania częstotliwości wyjściowej LMC555 podczas pomiarów wysokiego napięcia.
Ponieważ moc pobierana przez timer LMC555 jest typowo mniejsza niż 1mW (prąd mniejszy niż 5mA), może być zasilany przez baterię od 3 do 12V, co zapewnia wysoką izolację między timerem a źródłem wysokiego napięcia.
Dodatkową izolację obwodów timera LMC555 zapewnia wybór parametrów dla kondensatora taktowania C1 o wartościach znamionowych 10nF i 30kV.
Rezystor wysokonapięciowy R1 jest prawdopodobnie najważniejszym elementem aplikacji układu LMC555.
Powinien być zaprojektowany do użytku pod wysokim napięciem i zakupiony od renomowanego dostawcy znanego z niezawodności.
Na przykład rezystor z tlenku metalu model ROX200 firmy Vishay o napięciu znamionowym 15kV wydaje się być odpowiedni.
Jest dostępny w szerokim zakresie wartości rezystancji, od 1kΩ do 1GΩ, z tolerancjami 1%, 2%, 5% i 10% i niskim temperaturowym współczynniku rezystancji (TCR – Temperature Coefficient of Resistance), standardowo ±200 ppm/°C. Rezystor wysokonapięciowy może skutecznie odprowadzać ciepło w otwartej przestrzeni lub w kąpieli olejowej.
Prawie tak samo ważny jak rezystor R1 dla obwodu pomiarowego jest rezystor R2 i kondensator C1. R2 to rezystor metalowy o rezystancji 1kΩ o tolerancji ±1%.
Jako przykład można wymienić rezystory Vishay typu CCF60 o maksymalnym napięciu znamionowym 500V, dostępne z mocą znamionową 0,5, 0,75 i 1W.
Precyzyjny rezystor ma niski współczynnik temperaturowy TCR o wartości ±100ppm/°C i i zawiera ognioodporną żywiczną powłokę epoksydową dla dodatkowej ochrony przy wysokich poziomach napięcia.
Przy wartości pojemności 1nF, kondensator taktowania C1 musi być stabilny  temperaturowo, z materiałem dielektrycznym typu NP0/C0G.
Dodatkowymi elementami obwodu pomiarowego wysokiego napięcia są: dioda D1, dioda Zenera D2 i kondensator C2.
Diody przeznaczone izolacji i ochrony, w celu zapewnienia wysokiej dokładności pomiaru, muszą mieć małe prądy upływowe.
Upływ prądu przez diodę D1 ma szczególne znaczenie dla dokładności pomiaru, ponieważ prąd upływu mniejszy niż 3pA może być źródłem błędu pomiaru przy wysokich poziomach napięcia.
Prąd upływu diody Zenera D2 ma mniejsze znaczenie dla dokładności pomiaru i może wynosić nawet 100pA przy znikomym wpływie na wyniki pomiarów wysokiego napięcia.
Dioda Zenera D2 jest elementem dodatkowej ochrony układu scalonego timera, oferującym przełączaną ścieżkę do masy w celu protekcji.
Można ją uznać za element opcjonalny dla obwodu, używany tylko w aplikacjach, które muszą spełniać najwyższe wymagania bezpieczeństwa.
Kondensator C2 zapewnia dodatkową izolację między obwodem licznika częstotliwości a timerem LMC555.
Nie jest to element krytyczny i może to być dowolny niepolarny kondensator ceramiczny o dopuszczalnym napięciu nie niższym niż maksymalne napięcie mierzone.
W rzeczywistości, obwód pomiarowy wysokiego napięcia będzie działał bez tego kondensatora, jak również bez izolacji baterii 3- do 12-V. W niektórych przypadkach może zaistnieć potrzeba zastąpienia kondensatora C2 transoptorem, dla zapewnienia odpowiedniej ochrony i izolacji podłączonego obwodu.
Obwód pomiarowy wysokiego napięcia pod wieloma względami przypomina cyfrowy multimetr (DMM), który składa się źródła zasilania, źródła napięcia odniesienia (zwykle diody Zenera), obwodu cyfrowego opartego na przetworniku analogowo-cyfrowym (ADC ) i wyświetlacza. Oczywiście, bez użycia dodatkowego dzielnika napięcia, cyfrowy multimetr jest ograniczony do pomiarów napięć zazwyczaj do około 1 kV.
To proste rozwiązanie pomiarowe opiera się, na jakości rezystora R1 i precyzji timera LMC555 w celu zapewnienia dokładnych pomiarów za pomocą obwodu, który chroni timer za pomocą różnych elementów izolacyjnych. Przy wysokich napięciach ta dodatkowa izolacja zapobiega również wyciekom z powodu wyładowań koronowych po to, aby nie zmniejszyć dokładności pomiarów lub zagrozić bezpieczeństwu mierzonego obwodu testowego i jego operatora.

Autor: Shyam Sunder Tiwari

Komentarze z Facebooka

Komentarze obecnie - OFF.