1. Wstęp
Wysokie napięcie jest widowiskowe, piękne i niebezpieczne. Fascynujący jest zakres wykorzystania technik wysokiego napięcia, od aparatury do zdjęć rentgenowskich, mikroskopów elektronowych, poprzez produkcję półprzewodników do produkcji… frytek. Technika wysokich napięć jest popularna wśród hobbystów, niestety w porównaniu do innych dziedzin jest ona zauważalnie mniej rozwinięta do możliwości tej dziedziny i głównie skupia się na efektownych wyładowaniach elektrycznych w powietrzu lub efektów związanych z napięciem stałym.
Próg wejścia dla technik wysokiego napięcia jest stosunkowo duży, obcowanie z niebezpiecznymi wartościami napięcia oraz zjawiskami z tego wynikającymi, wymaga sporej wyobraźni oraz wiedzy teoretycznej i praktycznej. Inną kwestią jest dostępność sprzętu pomiarowego do zastosowań w technikach wysokiego napięcia. Popyt na tego typu sprzęty jest w porównaniu do bardziej ogólnej elektroniki dużo niższy, więc i ceny sprzętu są stosunkowo większe.
Dodatkowo w zasilaczach wysokiego napięcia własnej konstrukcji nie chcielibyśmy używać komercyjnej sondy do sprzężenia zwrotnego z powodu ceny i gabarytów. Spróbuję tutaj przedstawić jedno z możliwych rozwiązań oraz ścieżkę jak wyglądało projektowanie takiej sondy.
Coś, co na pierwszy rzut oka wydaje się trywialne ostatecznie staje się dość złożonym zagadnieniem.
2. Założenia
Każdy sprzęt, jaki chcemy zaprojektować zaczynamy od założeń. Jeśli nie potrafimy zapisać założeń to znak, że nie do końca wiemy, co chcemy zrobić i warto to nadrobić.
Dla poniższej sondy zakładam:
Napięcie maksymalne - 10kV
Pasmo 1MHz – tutaj jest jedna uwaga, charakterystyka powinna być w miarę płaska do 1MHz, ale to nie znaczy, że to ma być sonda, która ma mierzyć sinus o amplitudzie 10kV i częstotliwości 1MHz.
Dokładność +/- 5%
Pojemność wejściowa – jak najmniejsza, od tej wartości będzie zależało jak bardzo sonda będzie obciążała badany obwód oraz przy jak dużej częstotliwości można mierzyć 10kV. Bardzo dobry wynikiem było by 1pF
3. Sprzęt do pomiarów, analiza wektorowa (VNA)
Aby zweryfikować sondę wykorzystam sprzęt z wsparciem do rysowania wykresów amplitudowo fazowych (charakterystyka Bode'go) oscyloskop SDS2202X-E oraz generator SDG2042X.
Dla sygnału wejściowego 20Vp-p na wyjściu sondy z dzielnikiem 1:1000 będzie to już tylko 20mVp-p czyli -60db (amplituda 10mV). Korzystając z powyższego zestawu jestem w stanie uzyskać sporą precyzję i dokładność nawet przy mocno zaszumionym sygnale, np. od przetwornicy.
W celu weryfikacji jak działa taki zestaw weźmy przykładowe charakterystyki z różnych sond komercyjnych:
Badana sonda PP215 ma pasmo 200MHz, ale jak widać na przykładzie z zwykłym przewodem uziemiającym, pasmo wynosi poniżej 40MHz. Przy użyciu legendarnej „sprężynki” pasmo wygląda do tych 40MHz znacznie lepiej. Tak, więc sama sonda nie czyni pomiarów dobrymi, trzeba jeszcze ją odpowiednio używać.
Powyższe wykresy pochodzą z sondy DP10013. W tym wypadku producent sam zaproponował użycie bardzo długich przewodów, dodatkowo dodał do zestawu chwytaki, które jeszcze ograniczają pasmo. Tutaj mamy przypadek gdzie elektronika prawdopodobnie spełnia specyfikację podaną przez producenta, ale wykorzystanie długich przewodów powoduje, że charakterystyka strasznie na tym cierpi.
Czym jest taki wykres? W bardzo dużym skrócie jest to odpowiedź badanego obwodu dla sygnału o kształcie sinusa o zadanej amplitudzie oraz zmiennej częstotliwości. Na jego podstawie możemy stwierdzić jak bardzo sygnał jest wzmacniany lub tłumiony w danym paśmie (częstotliwości) oraz jak bardzo wyprzedza lub opóźnia się względem sygnału referencyjnego.
Zwyczajowo pasmo sondy określa się, jako -3db dla sygnału wejściowego, czyli 0.707 wartości wejściowej. Jednocześnie przestrzegam przed wiarą w ten parametr zwłaszcza przy tańszych sondach. Papier przyjmie nawet dziesiątki MHz pasma, a rzeczywistość jest znacznie gorsza.
4. Od teorii do praktyki
Zacznijmy od pytania, co musimy zrobić, aby zmierzyć wysokie napięcie?
Aby zmierzyć wysokie napięcie musimy użyć obwodu, który nam proporcjonalnie obniży napięcie do wartości gdzie możemy użyć urządzenia pomiarowego, np. oscyloskopu czy ADC.
Dodatkowo sonda nie może zbytnio obciążać badanego obwodu, więc musi posiadać wystarczającą impedancje. Dokładna wartość zależy od badanego obwodu i jak mocno można go obciążyć.
Idealnie pasującym tutaj obwodem jest dzielnik napięcia. Trywialny układ, składający się z dwóch rezystorów:
Skróćmy tutaj trochę drogę i załóżmy, że wiemy, że trzeba dobrać rezystor, który wytrzyma badane napięcie oraz błąd wynikający z stosunku 50Mohm do 50kohm jest akceptowalny (0.1% błędu jest dla mnie akceptowalne). Tak, więc co tutaj może pójść nie tak w tak prostym obwodzie?
Oto wyniki:
Coś tutaj jednak poszło nie tak. Przecież symulacje pokazują, że powinno to działać! Czy teoria się myli i jest do niczego? Nic z tych rzeczy, po prostu dobraliśmy zły model do problemu. W wielu przypadkach jak np. napięcie DC taki model jak najbardziej nam wystarczy, jednak, jeśli chcemy pracować na wartościach AC musimy również uwzględnić elementy reaktancyjne – pojemność i indukcyjność.
Czy to one nam psują pomiary i jeśli tak to, dlaczego? Załóżmy, że rezystor wysokiego napięcia ma pojemność 700fF a dolny ma powiedzmy 100pF. Indukcyjność załóżmy na poziomie 1.5uH, pochodzącą od długich przewodów. Wrzućmy to do modelu:
Wyniki wyglądają już bardziej jak te w rzeczywistości. Co się tutaj wydarzyło? Reaktancje kondensatorów również tworzą nam dzielnik napięcia. Tutaj mamy kilka problemów:
1. Dzielnik pojemnościowy powinien mieć tą samą wartość podziału, co rezystancyjny
2. Powinna być zachowana taka równość:
R1C1<= 1/(2Pi * pasmo)
3. Musimy uważać by nie stworzyć obwodu rezonansowego między przewodami a kondensatorem kompensującym
4. Pojemność rezystora do ekranu powinna być jak najmniejsza, gdyż tworzy ona filtr pasmowo zaporowy dla niskich częstotliwości (w zakresie 1-10kHz), który widać na poniższym modelu.
Przy spełnieniu równania (2) reaktancja obwodu przy częstotliwości równej pasmu będzie równa lub mniejsza rezystancji sondy. Niestety jest to bardzo trudne do realizacji i możecie sami sprawdzić czy wasze komercyjne sondy spełniają ten warunek. Poniższa sonda niestety również nie spełni tego założenia, więc przy wyższej częstotliwości będzie znacznie bardziej obciążać badany obwód niż wynika to z rezystancji sondy.
Tutaj przejdziemy do kilku problemów, które są ze sobą powiązane. Aby skompensować sondę o dzielniku 1:1000 to na każdy pF pojemności na rezystorze wysokiego napięcia potrzebujemy 1nF na rezystorze niskiego napięcia. Założyliśmy, że rezystor ma 700fF pojemności pasożytniczej, ale jest to to prawda jedynie w bardzo nie praktycznych warunkach. Rzeczywistość niestety pokazuje, że przyłożenie ręki do takiego rezystora powoduje bardzo duże zmiany pojemności, co uniemożliwia w praktyce skompensowanie takiej sondy.
Rozwiązaniem tego problemu jest otoczenie rezystora wysokiego napięcia materiałem o dużej przenikalności elektrycznej i podłączenia go do potencjału otoczenia czyli PE. Niestety to rozwiązanie niesie ze sobą zwiększenie pojemności oraz znaczne skomplikowanie modelu:
Aby zminimalizować wpływ rozproszonej pojemności rezystora wysokiego napięcia do ekranu a więc i ponownie ułatwić sobie model można dodać dodatkową dużo większą zdefiniowaną pojemność (C6 na powyższym modelu). W moim wypadku jest to kondensator powietrzny zrobiony własnoręcznie.
Zaletą takiego kondensatora jest to, że mogę regulować jego pojemność w okolicach 0.5pF do 3pF, co dość mocno ułatwiło mi kompensację pojemnościową. Oczywiście mógłbym próbować kompensować pojemność po stronie niskiego napięcia, ale koszt takich trymerów nie jest niski a zakres regulacji pojemności i tak nie jest duży.
Jeśli już mamy problem z kompensacją pojemności za sobą to przejdźmy do weryfikacji i problemów związanych z używaniem sprzętu pomiarowego.
Gdy już wszystko złożyłem moim oczom ukazał się taki o to wykres charakterystyki Bode'go:
Przy niskich częstotliwościach do 1MHz wykres jest dla mnie akceptowalny. I tutaj ważne zaznaczenie – DLA MNIE. Dla osób zajmujących się takimi obwodami, na co dzień, komercyjnie, taka charakterystyka będzie kiepska i nieakceptowalna.
Powyżej 1MHz charakterystyka zamiast być coraz mocniej tłumiona to tłumienie zaczyna maleć, co mogło pójść nie tak z tworzonym obwodem? Gdzie został popełniony błąd?
Tutaj przychodzi czas na ponowne użycie legendarnej sprężynki do minimalizowania pętli w sondzie oscyloskopu. Na powyższym zdjęciu widać, że używam zwykłych przewodów uziemiających i to one są źródłem problemu. Odepnijmy sondę i dodajmy rezystor między końcówkę sondy oraz przewód uziemiający:
Jak widać nawet bez podłączenia do badanego obwodu, na pętli stworzonej przez sondę, rezystor oraz przewód uziemiający pojawia się napięcie pochodzące z źle ekranowanej sondy wysokiego napięcia. W celu minimalizacji wychwytywania tego napięcia używam przewodu koncentrycznego z przejściówką na terminal block, aby zminimalizować pętle, przez którą pojawia się niepożądane napięcie.
Z powodu tych zakłóceń rezystor wysokiego napięcia musi być jak najbliżej początku sondy, aby przewód do rezystora (gdzie mamy połączenie Lo-Z – Hi-Z) nie robił, jako antena nadawcza.
Problemem również może się wydawać użycie przewodów koncentrycznych bez terminowania, jednak w tym wypadku długości użytych przewodów oraz czas narostu dla sygnałów, jakie chce badać (około 1us) powoduje pomijalne DLA MNIE odbicia.
5. Użyte rezystory
Użyłem dwóch konfiguracji rezystorów wysokiego napięcia. Jednak złożona z 5 rezystorów SMD BOURNS CHV2512-FX-1005ELF oraz jednego rezystora 50Mohm OHMITE SM104035005FE.
Byłem ciekawy jak bardzo wyniki będę się między sobą różnić, w końcu rozwiązanie z SMD ma mnóstwo zalet: tańsze, można rozproszyć większą moc, napięcie pracy jest wyższe, ale w końcu taki dedykowany pojedynczy rezystor powinien mieć jakieś zalety? No tak nie bardzo… Oto wyniki pomiarów:
Pomijając dokładność pomiaru charakterystyki do 1MHz, który wynika z niedopasowania pojemnościowego to charakterystyki są do siebie bardzo podobne…
6. Co dalej z tym projektem?
Jak widać na zdjęciach używam również wzmacniacza różnicowego, jednak uznałem, że opisanie problemów związanych z wzmacniaczem mogą być za obszerne jak na ten tekst, a jest tam do rozwiązania jeszcze trochę problemów.
Projekt zostanie ponownie przeprojektowany, aby zapewnić znacznie lepsze ekranowanie, poprawić jakość sygnału z wzmacniacza, zamknąć wszystko w obudowie oraz usprawnić kondensatory powietrzne aby były łatwiejsze do regulacji.
Materiały na których bazowałem:
https://www.repairfaq.org/sam/hvprobe.htm#shvdx
Przy wysokim napięciu łatwo zostać świeżo upieczonym amatorem wysokich napięć. I nie ma że boli, że czegoś się nie wiedziało.
10kV to przecież zabawka.