Witajcie koledzy.
Pewnego dnia zabrałem się za jeden z ambitniejszych jak na razie projektów, lecz gdy przyszedł czas na pomiary zauważyłem, że w zasadzie nie mam czym mierzyć prototypowego urządzenia. Otóż podstawowe sondy do oscyloskopu Rigol DS1054Z mają zakres pomiarowy jedynie do 200V, gdzie ja potrzebowałem minimum 1kV. Początkowo chciałem rozszerzyć zakres pomiarowy moich sond, lecz pomysł szybko padł gdyż pomiary były bardzo niedokładne. Następnie chciałem zbudować sondy wysokonapięciowe pasywne, lecz po kilku godzinach w internecie zauważyłem, że mógłbym zapłacić około 400 złotych chińczykowi za 4 gotowe pasywne sondy o interesującym mnie zakresie. Przemyślałem jednak sprawę, i uznałem że przydadzą mi się sondy różnicowe. A że fabryczne rozwiązanie kosztowałowałoby tysiące złotych postanowiłem spróbować zrobić własne sondy. Niestety udało się dopiero za drugim razem, więc zacznę od pokazania pierwszej, niesprawnej wersji urządzenia.
Schemat pierwszej wersji sondy:
Problem był taki, że stopień wyjściowy wzmacniacza optoizolowanego którego użyłem miał prawie zerową wydajność prądową. Była ona na tyle niska, że wzmacniacz nie był w stanie wytłumić zakłóceń powstających w przewodzie sygnałowym prowadzącym do oscyloskopu. W nocie katalogowe niestety nie było o tym słowa, więc przyjąłem że z wyjścia wzmacniacza można pobierać kilkanaście miliamperów, więc podłączyłem przewody oscyloskopu bezpośrednio do niego. Postanowiłem więc zamówić nowe płytki, poprawione, z kilkoma modyfikacjami.
Poniżej wrzucam schemat prezentowanej konstrukcji:
Wejścia pomiarowe podłączone są do reszty układu przez rezystory 20M, 3.5kV. Dalej znajduje się przełącznik obrotowy, oraz kilka rezystorów tworzących dzielnik napięcia służący do zmiany zakresu pomiarowego. Rezystory 10R oraz kondensator (którego w praktyce nie wlutowałem) dołożone są zgodnie z zaleceniami z noty katalogowej wzmacniacza. Między wejściami wzmacniacza znajdują się też 2 diody robiące za zabezpieczenie przez zbyt dużym napięciem, np gdybyśmy podłączyli sondę do wysokiego napięcia, przy ustawionym niskim zakresie na przełączniku.
Za wyjściem wzmacniacza izolowanego znajdują się 2 wzmacniacze operacyjne, które udają wzmacniacz pomiarowy, chociaż brakuje jeszcze wzmacniacza w układzie różnicowym. Niemniej idea działania jest ta sama. Służą one do pomiaru napięcia na wyjściu wzmacniacza izolowanego, bez obciążania go dużymi prądami.
Części zasilającej raczej nie muszę tłumaczyć, dodam tylko że przetwornica zasilająca stronę wejściową wzmacniacza izolowanego ma napięcie izolacji 5kV, tak samo jak sam wzmacniacz.
Pozostało pytanie czemu wybrałem ten wzmacniacz operacyjny. Odpowiedź jest prosta - bo jest dość tani, ma maksymalną częstotliwość pracy 100kHz-230kHz (w zależności od sztuki), oraz przede wszystkim, zapewnia świetną izolację galwaniczną.
Skoro przy napięciach już jesteśmy, to układ ten ma regulowany zakres pomiarowy (regulowany dzielnik), w celu dokładniejszego pomiaru niższych napięć niż zakres maksymalny. Poniżej lista ustawień pokrętła, dzielnika całej sondy i odpowiadającemu mu zakresowi napięcia wejściowego:
Pod względem bezpieczeństwa dla innych sprzętów, zarówno wejście zasilania 5V, jak i wyjście do oscyloskopu zabezpieczone jest diodami Zenera przez pojawieniem się tam wysokiego napięcia. Dodatkowo całą sondę zaprojektowałem jako wodo i pyło szczelną co moim zdaniem pomoże jej wytrzymywać wysokie napięcia. Zbudowałem od razy 4 sondy. Czemu aż 4? Bo tyle mam kanałów w oscyloskopie, więc by zapobiec przesunięciom fazowym między kanałami używającymi różnych sond, przesunąłem wszystkie przebiegi. "Bo jak wszystkie są przesunięte, to żaden nie jest."
W dalszej kolejności zaprojektowałem płytkę drukowaną. Chciałem by była dość wąska, by sonda była małą kosteczką na przewodach, aniżeli wielką cegłą. Wyszło mi tak:
Na warstwie BOTTOM prawie całe zasilanie, sygnał po warstwie TOP. Ścieżki sygnałowe zakręcające łukami w zasadzie dla idei aniżeli dla faktycznego zysku. Wszystkie wejścia i wyjścia umiejscowione pod obudowę o czym za chwilę. Do tego między punktami o dużej różnicy potencjałów zrobiłem szerokie frezowania. Wyszło moim zdaniem całkiem fajnie.
Płytki zamówiłem w JLCPCB.
Mam 10 sztuk, potrzebuję 4 więc pozostałych 6ciu mogę się pozbyć.
Poniżej już wszystko polutowane, jedynie diod LED brak, gdyż te musiałem dopasować potem, po włożeniu płytek do obudowy.
Teraz obudowa. Zachciało mi się hermetyczności, więc musiałem ją nieco powiększyć by zmieściły mi się dławnice do przewodów. Finalnie użyłem obudów Z77-ABS o wymiarach 124x71x38. Wielka nie jest, ale miała mieć początkowo coś bliżej 90x30x20, z myślą o pierwotnej wersji
Do tego dławnice z uszczelkami, oringi 5mm do uszczelnienia otworów pod diody. Oraz pokrętła wydrukowane na drukarce 3D. Pokręteł na zdjęciach na razie nie ma, podobnie jak jakiejś naklejki z instrukcją obsługi na wierzchu. Nie mam możliwości jej teraz wydrukować, dlatego muszę wrócić do domu i zrobić to raz, a porządnie.
Z obudowy z jednej strony wystaje przewód USB 1,8m oraz przewód pomiarowy RG174 o długości ok 2.2m ze złączem BNC, a z drugiej strony 2 przewody z izolacją do 15kV, długość 60cm każdy. Na ich końcach znajdują się krokodylki w gumowej izolacji. Tutaj również połączenia przewód-obudowa uszczelniają dławnice.
Pozostało zamówić części. Większość poszła z TME, chociaż kilka kupowałem na Allegro.
Na koniec konstruowania - kupiłem 2 rozdzielacze USB do zasilania sond, oraz ładowarkę sieciową. Zakładam, że wszystkie sondy będę mógł zasilić z gniazda USB wbudowanego w oscyloskop, ale chcę też mieć możliwość zasilania sieciowego. Jeden z rozdzielaczy wygląda tak:
Zmieniłem w nim diody podświetlające gniazda, na takie same jakie są w każdej sondzie, kolorami odpowiadającymi kolorom kanałów oscyloskopu.
Koszty:
Zamówienie na TME kosztowało 449.45PLN plus 15,87 wysyłka. Zamówienia z Allegro kosztowało 51.67PLN plus 23.89 za wysyłki. Do tego dochodzą płytki a Chin łącznie za 32.20pln z wysyłką. Są to koszta pierwszej wersji. Przebudowanie jej na wersję drugą kosztowało dodatkowe 100 pln.
Całkowity koszt zestawu wyniósł około 600 pln licząc tylko materiały na sondy i przesyłki (bez kosztów pomyłki).
Nie wiem natomiast jak mogę je przetestować, i kiedy będę mógł to zrobić. Na pewno pierwszym testem będzie podłączenie jej do uzwojenia górnego MOTa i sprawdzenie czy sonda przeżyje
Natomiast już po skończeniu budowy wynikła pewna ważna kwestia jak można było zrobić to lepiej - zamiast wzmacniacza izolowanego można było użyć transoptora analogowego, co prawdopodobnie umożliwiłoby pracę sondy przy sporo wyższych częstotliwościach.
W załączniku pliki Eagla, wraz z paroma bibliotekami.
Pozdrawiam.
Pewnego dnia zabrałem się za jeden z ambitniejszych jak na razie projektów, lecz gdy przyszedł czas na pomiary zauważyłem, że w zasadzie nie mam czym mierzyć prototypowego urządzenia. Otóż podstawowe sondy do oscyloskopu Rigol DS1054Z mają zakres pomiarowy jedynie do 200V, gdzie ja potrzebowałem minimum 1kV. Początkowo chciałem rozszerzyć zakres pomiarowy moich sond, lecz pomysł szybko padł gdyż pomiary były bardzo niedokładne. Następnie chciałem zbudować sondy wysokonapięciowe pasywne, lecz po kilku godzinach w internecie zauważyłem, że mógłbym zapłacić około 400 złotych chińczykowi za 4 gotowe pasywne sondy o interesującym mnie zakresie. Przemyślałem jednak sprawę, i uznałem że przydadzą mi się sondy różnicowe. A że fabryczne rozwiązanie kosztowałowałoby tysiące złotych postanowiłem spróbować zrobić własne sondy. Niestety udało się dopiero za drugim razem, więc zacznę od pokazania pierwszej, niesprawnej wersji urządzenia.
Schemat pierwszej wersji sondy:
Problem był taki, że stopień wyjściowy wzmacniacza optoizolowanego którego użyłem miał prawie zerową wydajność prądową. Była ona na tyle niska, że wzmacniacz nie był w stanie wytłumić zakłóceń powstających w przewodzie sygnałowym prowadzącym do oscyloskopu. W nocie katalogowe niestety nie było o tym słowa, więc przyjąłem że z wyjścia wzmacniacza można pobierać kilkanaście miliamperów, więc podłączyłem przewody oscyloskopu bezpośrednio do niego. Postanowiłem więc zamówić nowe płytki, poprawione, z kilkoma modyfikacjami.
Poniżej wrzucam schemat prezentowanej konstrukcji:
Wejścia pomiarowe podłączone są do reszty układu przez rezystory 20M, 3.5kV. Dalej znajduje się przełącznik obrotowy, oraz kilka rezystorów tworzących dzielnik napięcia służący do zmiany zakresu pomiarowego. Rezystory 10R oraz kondensator (którego w praktyce nie wlutowałem) dołożone są zgodnie z zaleceniami z noty katalogowej wzmacniacza. Między wejściami wzmacniacza znajdują się też 2 diody robiące za zabezpieczenie przez zbyt dużym napięciem, np gdybyśmy podłączyli sondę do wysokiego napięcia, przy ustawionym niskim zakresie na przełączniku.
Za wyjściem wzmacniacza izolowanego znajdują się 2 wzmacniacze operacyjne, które udają wzmacniacz pomiarowy, chociaż brakuje jeszcze wzmacniacza w układzie różnicowym. Niemniej idea działania jest ta sama. Służą one do pomiaru napięcia na wyjściu wzmacniacza izolowanego, bez obciążania go dużymi prądami.
Części zasilającej raczej nie muszę tłumaczyć, dodam tylko że przetwornica zasilająca stronę wejściową wzmacniacza izolowanego ma napięcie izolacji 5kV, tak samo jak sam wzmacniacz.
Pozostało pytanie czemu wybrałem ten wzmacniacz operacyjny. Odpowiedź jest prosta - bo jest dość tani, ma maksymalną częstotliwość pracy 100kHz-230kHz (w zależności od sztuki), oraz przede wszystkim, zapewnia świetną izolację galwaniczną.
Skoro przy napięciach już jesteśmy, to układ ten ma regulowany zakres pomiarowy (regulowany dzielnik), w celu dokładniejszego pomiaru niższych napięć niż zakres maksymalny. Poniżej lista ustawień pokrętła, dzielnika całej sondy i odpowiadającemu mu zakresowi napięcia wejściowego:
Pod względem bezpieczeństwa dla innych sprzętów, zarówno wejście zasilania 5V, jak i wyjście do oscyloskopu zabezpieczone jest diodami Zenera przez pojawieniem się tam wysokiego napięcia. Dodatkowo całą sondę zaprojektowałem jako wodo i pyło szczelną co moim zdaniem pomoże jej wytrzymywać wysokie napięcia. Zbudowałem od razy 4 sondy. Czemu aż 4? Bo tyle mam kanałów w oscyloskopie, więc by zapobiec przesunięciom fazowym między kanałami używającymi różnych sond, przesunąłem wszystkie przebiegi. "Bo jak wszystkie są przesunięte, to żaden nie jest."
W dalszej kolejności zaprojektowałem płytkę drukowaną. Chciałem by była dość wąska, by sonda była małą kosteczką na przewodach, aniżeli wielką cegłą. Wyszło mi tak:
Na warstwie BOTTOM prawie całe zasilanie, sygnał po warstwie TOP. Ścieżki sygnałowe zakręcające łukami w zasadzie dla idei aniżeli dla faktycznego zysku. Wszystkie wejścia i wyjścia umiejscowione pod obudowę o czym za chwilę. Do tego między punktami o dużej różnicy potencjałów zrobiłem szerokie frezowania. Wyszło moim zdaniem całkiem fajnie.
Płytki zamówiłem w JLCPCB.
Mam 10 sztuk, potrzebuję 4 więc pozostałych 6ciu mogę się pozbyć.
Poniżej już wszystko polutowane, jedynie diod LED brak, gdyż te musiałem dopasować potem, po włożeniu płytek do obudowy.
Teraz obudowa. Zachciało mi się hermetyczności, więc musiałem ją nieco powiększyć by zmieściły mi się dławnice do przewodów. Finalnie użyłem obudów Z77-ABS o wymiarach 124x71x38. Wielka nie jest, ale miała mieć początkowo coś bliżej 90x30x20, z myślą o pierwotnej wersji
Do tego dławnice z uszczelkami, oringi 5mm do uszczelnienia otworów pod diody. Oraz pokrętła wydrukowane na drukarce 3D. Pokręteł na zdjęciach na razie nie ma, podobnie jak jakiejś naklejki z instrukcją obsługi na wierzchu. Nie mam możliwości jej teraz wydrukować, dlatego muszę wrócić do domu i zrobić to raz, a porządnie.
Z obudowy z jednej strony wystaje przewód USB 1,8m oraz przewód pomiarowy RG174 o długości ok 2.2m ze złączem BNC, a z drugiej strony 2 przewody z izolacją do 15kV, długość 60cm każdy. Na ich końcach znajdują się krokodylki w gumowej izolacji. Tutaj również połączenia przewód-obudowa uszczelniają dławnice.
Pozostało zamówić części. Większość poszła z TME, chociaż kilka kupowałem na Allegro.
Na koniec konstruowania - kupiłem 2 rozdzielacze USB do zasilania sond, oraz ładowarkę sieciową. Zakładam, że wszystkie sondy będę mógł zasilić z gniazda USB wbudowanego w oscyloskop, ale chcę też mieć możliwość zasilania sieciowego. Jeden z rozdzielaczy wygląda tak:
Zmieniłem w nim diody podświetlające gniazda, na takie same jakie są w każdej sondzie, kolorami odpowiadającymi kolorom kanałów oscyloskopu.
Koszty:
Zamówienie na TME kosztowało 449.45PLN plus 15,87 wysyłka. Zamówienia z Allegro kosztowało 51.67PLN plus 23.89 za wysyłki. Do tego dochodzą płytki a Chin łącznie za 32.20pln z wysyłką. Są to koszta pierwszej wersji. Przebudowanie jej na wersję drugą kosztowało dodatkowe 100 pln.
Całkowity koszt zestawu wyniósł około 600 pln licząc tylko materiały na sondy i przesyłki (bez kosztów pomyłki).
Nie wiem natomiast jak mogę je przetestować, i kiedy będę mógł to zrobić. Na pewno pierwszym testem będzie podłączenie jej do uzwojenia górnego MOTa i sprawdzenie czy sonda przeżyje
Natomiast już po skończeniu budowy wynikła pewna ważna kwestia jak można było zrobić to lepiej - zamiast wzmacniacza izolowanego można było użyć transoptora analogowego, co prawdopodobnie umożliwiłoby pracę sondy przy sporo wyższych częstotliwościach.
W załączniku pliki Eagla, wraz z paroma bibliotekami.
Pozdrawiam.
