Voltmeter na 3 - 10 - 30kV

Konštrukcia ručičkového meracieho prístroja na meranie vysokého napätia s rozsahmi do 3, 10 a 30kV DC vrátane popisu návrhu a počítania.

      Občas som potreboval merať aj “nižšie” napätia rádovo niekoľko kV, čo s mojím prvým kV-metrom s rozsahom do 80kV toho veľmi veľa, ako tak presne veru nepomeriam. Preto som sa rozhodol pre stavbu ďalšieho kV-metra s rozsahmi 3, 10 a 30kV. Použil som ručičkový merak s citlivosťou 100uA, na ktorom som prerobil stupnicu. Pôvodnú stupnicu som odfotil a upravil v PC, vytlačil a nalepil na merak. Predradný rezistor ma celkovú hodnotu 300M pre 30kV s odbočkami na 30M pre 3kV a 100M pre 10kV. Rezistory sú vyskladané s rezistorov 3M3 0,6W. Celkovo som ich použil 91 kusov. Jeden rezistor je na maximálne napätie 350V a krátkodobo 700V. Pre prvý rozsah 3kV mám 9ks rezistorov na max. trvale napätie 3,15kV, pre ďalší rozsah 10kV je 30ks rezistorov na max. trvalé napätie 10,5kV a pre posledný rozsah 30kV je to dokopy až 91ks rezistorov, čo je pre max. napätie 31,85kV. Takže merak môže byť trvale pripojený na všetky rozsahy meraných napätí. Rezistory sú strčené do hadičky a zafixované v krabičke tavnou pištoľou. Zdierky som zospodu zalial celé tavnou pištoľou, aby nevznikala koróna na ostrých hranách.

      Pre meranie (alebo skôr odhadovanie) napätia podľa doskokovej vzdialenosti medzi elektródami, najmä pri veľmi vysokých napätiach z kaskadných násobičov alebo pri impulze z Marxovho generátora (Marx 2), pozri článok tu s tabuľkami a grafmi preskokových napätí medzi rôznymi elektródami vrátanie ihlových elektród.

kV-meter



20.9.2015
      Viac ľudí mi už písalo, ako vypočítať predradný rezistor, aký merák použiť atď. tak som sa rozhodol napísať postup návrhu jednoduchého kV-metra.

1. Najprv si určíme, do akého maximálne napätia budeme robiť kV-meter. Povedzme, nech je to 30kV, ako mám tu. Čím vyššie napätie chceme merať, tým viac zaťažujeme meraný VN zdroj, pribúdajú tiež straty korónou, problematika izolácie kV-metra, je nutné tlačiť prúd nadol s vysokou citlivosťou ručičkového meráku a celkovo vznikajú vyššie nepresnosti merania. Preto veľmi nemá zmysel sa snažiť týmto spôsobom merať napätia nad cca 100kV. Povedzme pri napätí 120kV a citlivosti meráku 200uA je to už vysoký prúd pre kV-meter a to ešte k tomu pripočítať korónové straty atď. Predpokladáme, že nebudeme merať tvrdý RTG transformátor, ale nejaké mäkké VN kaskádne násobiče, kde bude napätie rýchlo padať nadol.

2. Keď vieme maximálne napätie kV-metra, teraz potrebujeme nejaký ručičkový merak so známou citlivosťou. Čo to vlastne znamená, je to hodnota prúdu pri ktorej dosiahneme maximálnu výchylku. Z toho dôvodu potrebujeme nejaký merak s čím vyššou citlivosťou (čím menší prúd pre max výchylku), aby sme čo najmenej zaťažovali meraný VN zdroj. Keďže väčšinou budeme merať jednoduché a málo výkonné VN zdroje s transformátormi z TV, podomácky spravené násobiče atď., kde budú malé výstupné prúdy (+mäkké zdroje). Použiť merak s citlivosťou 1mA na meranie kaskadného násobiča na 80kV je nezmysel, napätie značne klesne nadol. Vybrať si nejaký merak s 50, 100, 150, 200uA citlivosťou. V tomto našom prípade, to bude merak so 100uA citlivosťou.

3. Ok, tak už máme vybratý ručičkový merak s citlivosťou 100uA, čo je prúd pri ktorom bude maximálna výchylka. Vieme, že maximálne napätie, ktoré chceme merať je 30kV. Nakreslíme si schému, vyznačíme všetko čo vieme a podľa ohmovho zákona vypočítame predradný rezistor.

kV-meter

R=U/I=30 000V/0,0001A=300MOhm
R=U/I=10 000V/0,0001A=100MOhm (pre odbočku na 10kV)
R=U/I=3000V/0,0001A=30MOhm (pre odbočku na 3kV)

4. Vypočítali sme predradný rezistor 300MOhm, ale kde vziať tak veľký rezistor ? Najjednoduchšie je si ho vyskladať z veľa malých bežných 0,6W rezistorov. Ich trvalé napätie je 350V a krátkodobé 700V. Podľa toho si treba vhodne vyskladať výsledný rezistor 300MOhm, kvôli rozloženiu napätia na jednotlivé rezistory. Použijeme celkovo 91ks rezistorov 3M3, ktoré môžeme trvalo zaťažiť na 31,85kV a krátkodobo až na 63,7kV čo nám plne vyhovuje. Hada rezistorov dáme do hadičky a predradný rezistor máme hotový.

5. Celé to poskladáme dokopy do nejakej krabičky a všetko poriadne zaizolujeme napr. v mojom prípade zaliatím tavnou pištoľou. Úpravu meracej stupnice som robil odfotením meracej stupnice a úpravou obrázku v PC, potom vytlačiť a nalepiť.

25.2.2017
      Ďalšie vylepšenie kV-metra je usmerňovací blok pre meranie VF AC napätí z VN TV transformátorov či MOTov (transformátor z mikrovlnky). Sú to len 2 diódy v sérií TESLA KYX30 (30kV, 2mA) a kondenzátor 600p/30kV zaliate voskom v krabičke + na povrchu vosku je ešte naliatá vrstva z tavnej pištole. VN diódy sú z nejakej čiernobielej TV. Meraná hodnota napätia je pravdaže Umax resp. meriame špičkovú hodnotu Upk striedavého napätia. Zaliatie krabičky je nutné, inak vzniká koróna na spojoch (straty), možné preskoky výboja a celé meranie je nepresné. Teraz sa však tiež niekedy objavuje koróna (zdierky a banániky), hlavne pri napätiach nad 20kV, ale už to nie je tak kritické, ako keby to nebolo zaliate vôbec alebo dokonca len pohodené na stole. Chcelo by to do budúcna inak riešiť zdierky a pripojenie na VN. Diódy a kondenzátor nemusia byť pravdaže presne takéto, len pre predstavu, čo som použil ja. Kapacita stačí malá, keďže odpor kV-metra pri 30kV rozsahu je až 300M a tým veľmi malý prúd.

kV-meter



25.1.2018
      Po nejakom čase sa ukázalo byť, ako nie práve najlepšie riešenie tohto bloku pre meranie AC napätí pre kV-meter. Takéto zdierky sa ukázali byť, ako veľmi zlý nápad. Časom vznikali zlé kontakty, koróna stále niekde degradovala izoláciu, začal vo vnútri už doslova horieť oblúk, tavil sa a vytekal vosk. Nastávala degradácia izolantov vplyvom koróny, boli stále väčšie straty a degradácia korónou, meranie začalo byť stále viac nepresné a nespoľahlivé. Tak vznikol nový už inak riešený blok pre meranie z nových súčiastok a zaliaty do novej krabičky určenej pre zalievanie. Krabička a VN kondenzátory sú kúpené z TME a VN diódy z Aliexpress. Kondenzátory sú použité 4ks v sérií 2n2/10kV s výslednou hodnotou 550p/40kV a diódy sú 2ks v sérií 2CL77 (20kV 5mA). Súčiastky sú dimenzované aj s rezervou pre meranie napätia do 30kVpk pre kV-meter. Hlavne tentokrát som sa už úplne vyhol zdierkam a cez vyvŕtané diery do krabičky dal VN káble a celé vnútro kompletne zalial s tavnou pištoľou. Vznikli tam síce vzduchové bublinky, no v tomto prípade to našťastie nevadí.

Update (15.5.2020)
      Po asi necelom roku používania nastal aj v tomto prípade problém. Začali sa prerážať tie Čínske diódy z aliexpressu. Skúsil som vyskladať väčšiu sériovo-paralelnú kombináciu z diód na oveľa vyššie napätie a prúd. Aj tak po čase som tie diódy zničil. Papierovo boli tie diódy podstatne predimenzované. Zrejme problém „Čína“ (?). Najlepšie sú aj tak BA159, len z nich treba skladať dlhých hadov.

kV-meter