Для измерения напряжений от 10 кВ и выше обычно требуется высоковольтный вольтметр со специальным дополнительным оснащением, или цифровой мультиметр с высоковольтным делителем. Кроме того, необходимо соблюдение соответствующих мер безопасности. Предлагаемая простая альтернативная схема, основанная на недорогом КМОП таймере, позволяет выполнять непосредственное измерение высокого напряжения с не худшей точностью.
Микросхема LMC555 фирмы National Semiconductor – это КМОП версия популярного универсального таймера 555. В описываемой схеме таймер используется в схеме автоколебательного мультивибратора, частота которого зависит от тока, текущего от источника измеряемого высокого напряжения.
Схема измерения высокого напряжения (см. рисунок) использует автоколебательный мультивибратор на таймере LMC555, преобразователь измеряемого напряжения в ток на резисторе R1 сопротивлением 100 МОм с допустимым напряжением 15 кВ, прецизионный метало-пленочный резистор R2 (сопротивление 1 кОм, допуск 1%) и времязадающий конденсатор C1 емкостью 1 нФ. Конденсатор C1 заряжается током от источника измеряемого напряжения, а разряжается через резистор R2. Таким образом, R2 тоже влияет на частоту выходного сигнала.
 |
| Эта простая схема, состоящая из микросхемы КМОП таймера и нескольких пассивных компонентов, позволяет с высокой точностью измерять постоянные напряжения до 15 кВ. |
Измеряемое напряжение V преобразуется в ток [V – VC(t)]/R1, заряжающий конденсатор C1, где VC(t) – напряжение на конденсаторе. Для простоты, при измерениях высоких напряжений, VC(t) можно не учитывать. Частота мультивибратора на LMC555 ограничена величиной порядка 30 кГц, что позволяет использовать для подсчета импульсов вход любого микроконтроллера. Кроме того, измерять частоту могут многие современные мультиметры.
Поскольку ток, потребляемый таймером LMC555, не превышает 5 мА, для питания измерителя можно использовать любую батарею с напряжением от 3 до 12 В, что позволит гарантировать надежную изоляцию таймера от измеряемого напряжения.
Резистор R1 является, возможно, самым важным из компонентов, окружающих LMC555. Он должен быть рассчитан на работу при высоких напряжениях, и приобретаться у надежного поставщика, с хорошей репутацией. К примеру, вполне подойдет металло-окисный резистор ROX200 фирмы Vishay с рабочим напряжением 15 кВ. Резисторы выпускаются с сопротивлением от 1 кОм до 1 ГОм, с допускаемым отклонением от номинала 1%, 2%, 5%, и 10%, и со стандартным ТКС, равным ±200 ppm/°C. Высоковольтный резистор способен эффективно рассеивать тепло.
Не меньшее значение имеет качество резистора R2 и конденсатора C1. Резистор R2 – металлопленочный, номиналом 1 кОм с допуском 1%. В качестве примера, можно назвать резисторы CCF60 производства Vishay, с рабочим напряжением 500 В и допустимой мощностью рассеивания 0.5, 0.75 и 1 Вт. ТКС резистора равен ±100 ppm/°C, а огнестойкое эпоксидное покрытие создает дополнительную защиту от высоких напряжений.
Времязадающий конденсатор C1 емкостью 1 нФ должен иметь хорошую температурную стабильность, с материалом диэлектрика NP0 или C0G.
Дополнительные элементы в цепи измерения высокого напряжения – диод D1, стабилитрон D2 и конденсатор C2. Предназначенные для изоляции и защиты диоды, в целях обеспечения высокой точности измерений, должны иметь низкие токи утечки.
Особенно сильно влияет на точность обратный ток диода D1, т.к. утечка даже в 3 пА уже может стать причиной ошибки измерения высоких напряжений. Ток утечки стабилитрона D2 не столь критичен, и не должен превышать 100 пА.
Стабилитрон D2 включен в схему для дополнительной защиты микросхемы таймера, и, в случае отсутствия повышенных требований к безопасности, может не устанавливаться.
C2 обеспечивает дополнительную изоляцию между частотомером и таймером LMC555. Это совершенно некритичный компонент, в качестве которого может использоваться любой керамический конденсатор с допустимым напряжением не меньшим максимального измеряемого напряжения. Фактически, измеритель будет работать и без этого конденсатора. Для обеспечения надежной защиты подключаемых схем, конденсатор C2 может быть заменен оптоизолятором.
Безусловно, схема измерителя, во многих отношениях, напоминает цифровой мультиметр, состоящий из источника питания, источника опорного напряжения, аналого-цифрового преобразователя и дисплея. Однако, без специального делителя напряжения, мультиметр не способен измерять напряжения выше 1000 В.
Предложенная схема простого измерителя имеет очень небольшую погрешность, благодаря всего лишь двум компонентам: высококачественному резистору R1 и точному таймеру LMC555. Различные элементы защиты надежно предохраняют схему от высокого напряжения, а также, препятствуют появлению утечек вследствие возникновения коронного разряда, чем повышают точность измерений, уровень безопасности оператора и проверяемых цепей.
