Изобретаем свой киловольтметр

Изменено: . Разместил: FadeDemon | Меню
Количество просмотров3`463 / FD791-6-0

Тема сегодняшней нашей лекции – датчик наличия высокого напряжения, работающий по принципу электрометра, такого приборчика, который на школьном курсе физике показывают. Помните наверно, берут эбонитовую или стеклянную палочку, трут ее шерстью там или тканью, подносит к хитрому круглому девайсу со стрелочкой, на ножке, и шариком наверху, иии… Правильно, стрелочка отклоняется. Прибор этот, кстати, звался электроскопом. Электроскоп – это вообще такое устройство, которое может обнаруживать заряд, но не может его измерить. Вернее, может, но довольно туманно и приблизительно. А если электроскоп все таки измеряет заряд - то это уже электрометр. Хотя мне больше по душе слово киловольтметр.


В общем это все к тому, что принцип работы того самого электрометра я решил взять за основу для создания датчика, который должен был сигнализировать о наличии высокого напряжения (а именно 10 киловольт), для, собственно, контроля напряжения на боевом конденсаторе, для создания обратной связи между напряжением в высоковольтной схеме, и управляющей схемой, чтобы последняя знала, когда ей включать преобразователь для подзарядки кондеров, а когда отключать. У датчика будет один выход: если измеряемое датчиком напряжение больше некоторого (критического), то он в этот выход должен устанавливать логическую единицу в виде напряжения +12 вольт. В противном случае, там должен быть ноль. Вообще тут надо вспомнить, что у микросхем ТТЛ логики правила для таких случаев несколько другие, и логическая единица – это пять вольт, но разве нас такие тонкости смущают? :) Такие принципы действуют кстати во всех схемах гаусса. Ну или почти во всех. Впрочем не отвлекаемся. Помимо выхода, у датчика, естественно, есть вход. Здесь надо вспомнить, что является входом у обычного электрометра? Правильно, некий контакт, которому передается измеряемый потенциал (то есть заряд). Здесь будет тоже самое, без изменений. Только вместо контакта будет высоковольтный провод, в мощной изоляции. Ну и наконец, поскольку в датчике будут какие-то логические схемы, умеющие что-то обнаруживать, сравнивать, да еще и сообщать об этом, их явно надо чем-то питать. И как следствие, у нашего датчика будет присутствовать вход питания.


Первый опыт сборки фотодиодного усилителя
Рис. №137. Первый опыт сборки фотодиодного усилителя

Вообще, механический электроскоп - не единственный способ, пригодный для обнаружения высоких напряжений, альтернатива ему, это классический делитель напряжения на высокоомных резисторах, и высокочувствительный элемент для измерения поделенного напряжения, например полевой транзистор, или высокочувствительный операционный усилитель с положительной обратной связью (кстати в нашем случае, такой ОУ можно было включить в качестве компаратора). Минусы этого способа – необходимость гальванически связывать высоковольтный и низковольтную схемы, и например тот факт, что подходящие резисторы – вещь достаточно экзотическая, да и некоторые разновидности, к тому же, не отличаются надежностью. Ну а механическое устройство, как мы могли заметить, гальванически связывать схемы не требует. Здесь можно заметить, что мы упустили один момент: как угол отклонения рамки будет собственно переводиться в электрический сигнал? А просто! Нам ведь надо всего-навсего выдать логическую 1 в случае если напряжение достигло критического, верно? То есть, это может значить, что рамка отклонилась на строго определенный угол, и к примеру уперлась во что-нибудь, а это что-нибудь замкнуло там какие-нибудь контакты...


Почти готовый лазерный модуль. Работает от 12 вольт...
Рис. №133. Почти готовый лазерный модуль. Работает от 12 вольт...

В общем, если сократить рассуждения, то я решил сделать так, что рамка при достижении нашего критического угла просто пересекала лазерный луч, улавливаемый фотодиодом, то есть, решить проблему обыкновенной оптопарой. В качестве излучателя были использованы внутренности обыкновенной китайской указки - хоть там излучателем является обыкновенный говносветодиод облепленный резонаторами, но свет он все-таки выдает достаточно когерентный, что в нашем случае важно, поскольку когерентный пучок света достаточно легко сфокусировать. Линзой, которая была в этой же указке я сфокусировал ее в точку диаметром около 100 микрон, она даже стала едва различаться глазом. Зачем? Нужно учитывать, что рамка под действием сил электрического поля отклоняется достаточно лениво (в моем примере смещение крайних точек рамки, при ее длиннее около 6 см составило не больше 1 сантиметра), и поэтому определять угол отклонения нужно достаточно точно. Вот если она будет пересекать луч толщиной в 1 см, то каковая будет ее точность, если непонятно, при каком проценте перекрытия луча, усилитель фотодиодом выдаст единицу? Если помнить, что сила действующая на рамку зависит от напряжения квадратически, то получится точность в районе 300-400 вольт… Или около того (при напряжениях близких к критическому, разрешение вольт/миллиметр возрастает по причине квадрата). Соответственно, если толщину луча мы уменьшим в 10 раз, то и точность возрастет минимум в 10 раз, а если вспомнить про квадрат, то даже больше. Вот в общем-то и все теоретическое устройство. И даже почти никакого матана :)


Продолжим. Для лазерной указки пришлось собирать стабилизатор на 4.5 вольт, поскольку три батарейки от которых она светиться, выдают именно столько. Там в общем-то получился обычный эмиттерный повторитель (кажется так зовется) то есть NPN транзистор, со стабилитроном между базой и землей, и токорегулирующим резистором между коллектором и базой. Ну, еще конденсаторе на 6.3 вольта на выходе. Так, для красоты. Хотя в теории они должны подавлять пульсации напряжения питающей сети. Интересно правда, с каких это пор аккумуляторы вдруг стали выдавать пульсирующее напряжение? Впрочем не важно. Главное что указке от этого творения светилась, и потребляла 20 миллиампер. Большего мы от нее не требуем.


ФД-256, зафиксированный клеем
Рис. №135. ФД-256, зафиксированный клеем

Теперь стоит отметить схему усилителя фотодиода. Их у меня было два варианта. Второй появился из того факта, что в первом варианте умер полевой транзистор КП303А (полагаю что из-за сильной статики). А первая схема была вот такая:


Принципиальная схема киловольтметра
Рис. №138. Принципиальная схема киловольтметра

Работала она за счет того, что фотодиодик (ФД-256, кстати) умел выдавать 160 милливольт, при попадании на него лазерного луча. И −10 мВ в полной темноте. Соответственно эти милливольты фиксировал полевик, ну а дальше это дело усиливалось, инвертировалось, и приводилось к удобоваримой логической единице на выходе. Получилось достаточно просто, и за счет маленькой толщины луча схема почти не выдавала промежуточных состояний. Но потом как уже было сказано сдох полевик. Я решил не заморачиваться на поиск причины. Она в общем-то была очевидна - смертоносная статика по соседству. Правда поговаривают, что полевые транзисторы с p-n переходом не бояться статики, но похоже, что тут где-то затаилась недостоверная информация. Или в том, что статики они все-таки не бояться, или в том что КП303 - не МДП транзистор. Я пошел другим путем, и фотодиод включил по другой схеме, в которой использовалось его свойство резко изменять обратное сопротивление при попадании в него света. Получился у меня этакий каскад из транзисторов C3622 и КТ3157А, с итоговым коэффициентом усиления около 50000 (1000 у C3622, и 50 у КТ3157). Дальше я сначала хотел запилить инвертор, как в предыдущей схеме, но... Мой уставший моск пронзила идея всунуть в это дело суровый советский ТТЛ компаратор К521СА301А (настолько суровый, что он был в металлическом корпусе), убив тем самым 1.5 зайцев: полностью избавиться от зоны неоднозначности, возникающей при неполном пересечении луча, даже сделать ее регулируемой, и наконец-то впаять свою первую микросхему! :)


Логика такая: поскольку схема должна реагировать на пересечение луча, то компаратор должен срабатывать в тот момент, когда напряжение с фотодиода куда-то пропадает. Отсюда легко догадаться, что наш собранный выше каскад надо повесить на инвертирующий вход. А на неинвертирующем, делителем из резисторов создать такое напряжение, чтобы оно было немного меньше, чем на инвертирующем при прямом свете луча. Соответственно когда луч пересекут, Uинв станет нулем, и компаратор сразу же родит нам ожидаемую единичку. Нам остается только обработать напильником его коллекторный выход, чтобы он стал эмиттерный, и устранить напряжение в закрытом состоянии. С этим всем отлично справился КТ3157А, диодик с падением в 0.7В, и парочка резисторов.


Здесь нам остается только перейти к финальной части, тоесть сборке всего этого безобразия. Большую часть тут скажут фото, опишу вкратце основные вещи. Механическая часть под высоким напряжением должна быть одним единым проводником, подключенным ко входу, и состоять как минимум из рамки, пластин от которых рамке отталкиваться, и изящной пружиной, которая рамку собственно будет прижимать к пластинам. Сборка всего этого должна быть очень аккуратной, не сказать что ювелирной, но близко к тому. Еще я решил прикрутить две вещи: регулировку прижимной силы пружины с помощью винтика, и некоторое подобие конденсатора из одного куска алюминиевого радиатора, для создания некоторой емкости на входе. Все это будет видно на финальном фото.


Рамочка
Рис. №142. Рамочка

Рамку я после нескольких попыток изготовил из жилки медного провода, сначала растянул ее, чтобы идеально выпрямить, потом центр несколькими витками намотал на иголку, которая была по толщине равна диаметру будущей оси. Получилась довольно приличная, ровная (после долгой стрельбы глазами и утомительной работы пальцами) рамочка. После, эту рамку я подверг балансировке, чтобы на своей оси она держалась уверенно, не двигаясь, не заваливаясь ни на одну из сторон, поскольку это значительно бы влияло на показания прибора. После этого, рамка была посажены на ось, и вживлена в небольшой короб из пластика, добытого из старых коробочек от компакт-дисков. Кстати этот пластик я решил использовать почти во всех конструкциях прибора. Несмотря на свою ломкость, этот пластик был довольно прочным, и хорошо обрабатываются, в том числе и терморезаком.


Устройство начинает приобретать человеческий облик
Рис. №134. Устройство начинает приобретать человеческий облик

Далее, к концам рамки я приклеил "лепестки" - кусочки алюминиевой фольги примерно 2×3 мм, покрытые черной краской. Их задача состояла а том, чтобы пересекать лазерный луч, поскольку проволока из которой изготовлена рамка, для этого слишком тонкая. По правде говоря, пересекать его будет только один лепесток - второй приклеен исключительно для равновесия, чтобы балансировал рамки не нарушалась. Затем нужно было придумать пружинку. В качестве пружинки был избран огрызок медной жилы около 0.15 мм в диаметре, за 15 минут я свил из него отличную пружину, по конфигурации идентичную тем, что используется например в маятниках часов, или в тех же измерительных головах. Далее на ось основной рамки я надел дополнительную, служащую для крепления пружины с возможности регулировки ее натяжения, и собственно собрал все воедино. Для склейки металлических частей, кстати, использовался токопроводящий клей "Контактол-Р", на основе графита. Следующей задачей было создать противоположную часть рамки, т.е. ту, которая ее будет собственно говоря отталкивать. Для этого послужили 2 полоски металла, добытого из крышки от дискеты, и несколько проволочек (для создания каркаса). Все было склеено Контактолом, с точностью до 0.5 мм подогнано под рамку, и надежно зафиксировано цианоакрилатовым клеем.


Основа почти готова. Остается довести до ума
Рис. №136. Основа почти готова. Остается довести до ума

Бокс с рамкой был приклеен к основанию – большому куску пластика. В нем было проделано отверстие для лазерного луча, ровно в том месте, где лепесток рамки закрывал обзор. С одной стороны от отверстия был тут же установлен излучатель вместе с драйвером, а с другой... Нет, не все так быстро.


Схема луча лазера была таковой: сначала он покидал излучатель, и попадал в первую линзу, которая фокусировала его в маленькую точку, на расстоянии, равном расстоянию от линзы до лепестка, т.е. лепесток закрывал собой очень маленький пучок света (это мы обсудили выше). Далее возникла проблема: по идеи, дальше нужно было ставить фотодиод, но у него оказалась слишком маленькая апертура, такая что для того чтобы луч лазера туда попал весь, его надо было почти уткнуть в короб (тут надо напомнить, что внутри короба потенциал в 10 тысяч вольт). Подумав немного, я решил поставить на пути луча еще одну линзу, в том месте, где луч расходился как раз до ее диаметра – а уже сфокусированный ею пучок ловить в апертура фотодиода. Получилось солидно. Главным было перед тем как фотодиод фиксировать клеем, предварительно его точно совместить с лучом :). Схему прохождения луча, кстати, вы могли наблюдать на принципиальной схеме в самом верху: она не претерпела изменений.


После всех этих манипуляций осталось только подключить все схемы, и парочка мелочей. Одной из этих мелочей было соединить вторую рамку с регулировочным винтом. В итоге получилось довольно приличное устройство, в котором можно было даже регулировать натяжение пружинки. Ко всей механической конструкции был подключен высоковольтный провод, и все устройство было заключено в аккуратный корпус из пластика:


Окончательный вид
Рис. №139. Окончательный вид

В качестве бонуса, можно еще отметить интересную вещь, которую я решил добавить в конструкцию эксперимента ради: вибратор, собранный из вибромоторчика, извлеченного из доисторической Нокии. Предназначение его состояло в повышении точности измерения малых изменений потенциала рамки, поскольку из-за трения последняя могла просто игнорировать потенциалы около нескольких сотен вольт, изменяя угол отклонения только при значительном изменении заряда механизма. Вибрация же помогала этому трения противостоять. Схема управления вибратором включала его раз в 3 секунды на 300 миллисекунд, и как из этого нетрудно предположить, состояла из мультивибратора и… Еще одного компаратора К521СА301А, преобразующего изменения напряжения, рожаемые мультивибратором в сугубо прямоугольный импульсы. Наверно мне просто девать было некуда эти пять компараторов, вот и засовывал их куда ни попадя…


Киловольтметр 2.0, beta ver.
Рис. №143. Киловольтметр 2.0, beta ver.

На этом, мы закончим. В следующий раз нам предстоит сборка аналогичного устройства для измерения напряжения в 450 вольт, правда без всякой механики. Но, об этом, собственно, в следующий раз… Всем спасибо за внимание!

QR-код
Интересное
Как я оживлял EPM7128S На плате располагалась ПЛИС серии Altera MAX II, а именно EPM7128SLC84-15. Немного почитав о ней, и увидев, что она умеет питаться от 5 вольт и содержит 2500 логических элементов, мне невыносимо захотелось прикрутить её к своему маленькому проэктику, и заставить её приносить в нём пользу. Ну, а если мне чего-то захотелось…

Читать »»
Случайные фото