Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Sklep HeluKabel
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu

Kraniec_Internetów 07 Lut 2019 22:04 2229 6
  • 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:
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu
    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:
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu

    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:
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu


    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:
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu
    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.
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu
    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.
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu

    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.
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu

    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:
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopuZmieniłem w nim diody podświetlające gniazda, na takie same jakie są w każdej sondzie, kolorami odpowiadającymi kolorom kanałów oscyloskopu.
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do 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).
    Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu Komplet optoizolowanych różnicowych sond wysokonapięciowych do oscyloskopu

    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.

    Załączniki:

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
  • Sklep HeluKabel
  • #2 08 Lut 2019 12:33
    maciej_333
    Poziom 34  

    Wejściowy dzielnik nie jest skompensowany. Pojawią się oczywiście zniekształcenia dla przebiegu prostokątnego - szczególnie większej częstotliwości. Zamiast TLP7920 można też użyć innych układów. Jest przynajmniej kilka możliwości. Można wykorzystać ISO124 o lepszych parametrach i podobnym paśmie. Ten jednak pracuje w oparciu o PWM i izolację pojemnościową. Podobną zasadę działania do TLP7920 ma też ACPL-C79B. Bez żadnego rodzaju przetwarzania/modulacji działa IL300. Składa się on właściwie z diody LED i dwóch fotodiod. Jedna fotodioda to sprzężenie zwrotne dla nadajnika, druga zaś stanowi odbiornik dołączony do wzmacniacza transimpedancyjnego (konwerter prądu w napięcie). Podobny jest do tego LOC110, ale w tym przypadku zamiast fotodiod zastosowane są dwa fototranzystory. Właśnie IL300 i LOC110 stanowią wspomniane transoptory "analogowe". Z dokumentacji wynika, że np. IL300 cechuje się podobnym pasmem. Większe pasmo dałoby się ewentualnie uzyskać robiąc modulator i demodulator samodzielnie: przykład Nota Silicon Labs AN614. Nie lepiej na wyjściu wstawić było wzmacniacz pomiarowy, albo tzw. diffrence amplifier ? W układzie wyjściowym też brak kompensacji. Zgodzę się oczywiście, że dokumentacja TLP7920 mogłaby być bardziej obszerna.

  • Sklep HeluKabel
  • #3 08 Lut 2019 16:40
    Kraniec_Internetów
    Poziom 41  

    Tak, jak już pisałem można to było zrobić inaczej, może wtedy wyszłoby lepiej. Najlepiej bez żadnej konwersji, bez żadnego PWMa, tylko po prostu analogowo transoptorem.

    maciej_333 napisał:
    Wejściowy dzielnik nie jest skompensowany. Pojawią się oczywiście zniekształcenia dla przebiegu prostokątnego - szczególnie większej częstotliwości.

    Tego na razie nie sprawdziłem, chociaż muszę coś jeszcze sprawdzić.

    Dodano po 9 [minuty]:

    maciej_333 napisał:
    Nie lepiej na wyjściu wstawić było wzmacniacz pomiarowy, albo tzw. diffrence amplifier ?

    No ale po co? Przecież te wyjścia są galwanicznie odizolowane od wszystkiego innego, po co więc dokładać kolejny wzmacniacz. Prawdę mówiąc nie wiem czy nie wystarczył by jeden wzmacniacz operacyjny, który zapewniłby odpowiednią impedancję jednego wyjścia.

  • #4 08 Lut 2019 16:43
    maciej_333
    Poziom 34  

    Kraniec_Internetów napisał:
    Najlepiej bez żadnej konwersji, bez żadnego PWMa, tylko po prostu analogowo transoptorem.

    Nie jest to prawda. Stosując transoptor ciężko będzie osiągnąć szerokie pasmo i liniową charakterystykę przetwarzania w całym zakresie napięć wejściowych. Nie wiem, jak działają takie sondy, ale podejrzewam, że jest to PWM o dużej częstotliwości nośnej. Dla ISO124 jest to 500 kHz, co ogranicza pasmo do 250 kHz. Dochodzi jeszcze przesunięcie fazowe wnoszone przez taki układ.

    Kraniec_Internetów napisał:
    maciej_333 napisał:
    Nie lepiej na wyjściu wstawić było wzmacniacz pomiarowy, albo tzw. diffrence amplifier ?

    No ale po co? Przecież te wyjścia są galwanicznie odizolowane od wszystkiego innego, po co więc dokładać kolejny wzmacniacz. Prawdę mówiąc nie wiem czy nie wystarczył by jeden wzmacniacz operacyjny, który zapewniłby odpowiednią impedancję jednego wyjścia.

    Musi tam być jakiś układ odejmujący. Przecież na każdym z wyjść TLP7920 sygnał zmienia się w zakresie ok. 0...2,5 V. Wykorzystując jedno wyjście uzyskałbyś przebieg przesunięty tzn. zawierający składową stałą. Wzmacniacz pomiarowy, lub difference amplifier zapewni lepsze parametry tzn. mniejszy błąd. Układy takie są już wewnętrznie skompensowane częstotliwościowo itd. Oczywiście trzeba brać pod uwagę przeważnie niską rezystancję wejściową dla difference amplifier np. INA592. Zresztą aktualnie masa oscyloskopu nie jest dołączona do masy układu.

  • #5 08 Lut 2019 16:50
    Kraniec_Internetów
    Poziom 41  

    maciej_333 napisał:
    la ISO124 jest to 500 kHz, co ogranicza pasmo do 250 kHz.

    No nie byłbym taki ambitny. Przy 500kHz PWMa w praktyce nie przekroczyłbym sensownego prostokąta przy 50kHz. Przy przebiegu 250kHz jedyne co by zmierzyła taka sonda, to że przebieg... jest :)
    maciej_333 napisał:
    Dochodzi jeszcze przesunięcie fazowe wnoszone przez taki układ.

    No tak, ale jak masz 4 takie same sondy, to przesunięte masz wszystkie przebiegi. A skoro wszystkie przesunięte są tak samo, to jakby żaden nie był.
    maciej_333 napisał:
    Stosując transoptor ciężko będzie osiągnąć szerokie pasmo i liniową charakterystykę przetwarzania w całym zakresie napięć wejściowych.

    Też tak myślałem, bo myślałem że transoptory pracują tylko jako 1-0.
    Tutaj masz mój temat od którego wszystko się zaczęło:
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3497964.html

    Jarek proponuje transoptor analogowy (z wyjściem liniowym) HCPL4562 pasmo do 17MHz. Także takie pasmo byłoby świetne.

  • #6 08 Lut 2019 17:27
    maciej_333
    Poziom 34  

    Kraniec_Internetów napisał:
    maciej_333 napisał:
    Dochodzi jeszcze przesunięcie fazowe wnoszone przez taki układ.

    No tak, ale jak masz 4 takie same sondy, to przesunięte masz wszystkie przebiegi. A skoro wszystkie przesunięte są tak samo, to jakby żaden nie był.

    Jeżeli byłoby to powtarzalne, to owszem. Jednak zwykle włącza się jeszcze sondy prądowe i analizuje zależności między prądami a napięciami. Mam sondy TESTEC TT-SI 9001. Pasmo to 25 MHz. Można też sobie sprawić oscyloskop z masą izolowaną, jak kogoś na to stać.

    Kraniec_Internetów napisał:
    maciej_333 napisał:
    Stosując transoptor ciężko będzie osiągnąć szerokie pasmo i liniową charakterystykę przetwarzania w całym zakresie napięć wejściowych.

    Też tak myślałem, bo myślałem że transoptory pracują tylko jako 1-0.
    Tutaj masz mój temat od którego wszystko się zaczęło:
    https://www.elektroda.pl/rtvforum/topic3497964.html

    Jarek proponuje transoptor analogowy (z wyjściem liniowym) HCPL4562 pasmo do 17MHz. Także takie pasmo byłoby świetne.

    Ten układ coś jednak potrzebuje do działania. Pasmo samego układu HCPL4562 może i wyniesie 17 MHz. Jednak uzyskać płaską charakterystykę choćby w zakresie do 5 MHz będzie wyzwaniem. Zresztą gdyby to było takie proste, to cena takiej sondy nie wynosiłaby 1500 zł.

  • #7 08 Lut 2019 17:58
    Kraniec_Internetów
    Poziom 41  

    maciej_333 napisał:
    en układ coś jednak potrzebuje do działania.

    Oczywiście, osprzętu wokół transoptora będzie sporo. Z tego co pamiętam @malyjasiu teraz z nimi eksperymentuje. Jakieś efekty?