Главная » Измерения
Призовой фонд
на август 2021 г.

Похожие статьи:


Универсальный высоковольтный тестер

Захотелось заиметь себе в хозяйстве прибор для проверки светодиодов, стабилитронов, и прочих случаев, где может потребоваться относительно большое напряжение при малом токе. Китайцы делают подобные устройства, найти можно по словосочетанию LED Tester, но просто купить не интересно, да и вообще не наш метод. Поэтому в данной статье я подробно расскажу о процессе разработки, создания и применения подобного девайса.

Разберем кратко общий принцип работы. По сути своей прибор - это источник тока с максимальным напряжением на выходе около 260-270 вольт. Выходной ток можно выбирать из трех вариантов : 1 мА, 10 мА и 20 мА (выбор осуществляется клавишным переключателем, где положение "0" это ток в 1 мА, "l" - 10 мА, "ll" - 20 мА). Встроенный вольтметр показывает напряжение на выходных клеммах при установившемся токе. 

Теперь рассмотрим подробно схему и принципы ее работы.

Источник исходного высокого напряжения собран на популярной микросхеме IR2153, по полумостовой топологии. Обычно в маломощных устройствах, каковым является данный прибор, используют различные варианты однотактных обратноходовых топологий, но у таких вариантов, несмотря на простоту реализации и меньшее число внешних компонентов, есть один неприятный момент - это количество витков в обмотках. Так как то количество витков, которое требовалось бы намотать в случае однотактного преобразователя для получения необходимого напряжения вряд ли бы удалось разместить на имеющимся сердечнике, выбор пал на двухтактную топологию и мостовой вариант выпрямителя, что позволило обойтись минимальным числом витков да и просто намотать все обмотки проводом 0,5 мм, что был в наличии, на сердечник ETD29/16/10, который так же имелся под рукой. В итоге получилось 51 виток в первичке и 86 во вторичной обмотке. Для расчетов как всегда использовал программу Владимира Денисенко, широко известного в узких кругах как  Starichok.

Расчет обмотки основного преобразователя:

Включение и обвязка микросхемы вполне себе типовые. Частота работы преобразователя выбиралась минимально возможной, но так, чтобы влезли все обмотки, поэтому она немного выше, чем в большинстве блоков питания и составляет в моем случае около 55 кГц, задается резистором R23 и конденсатором С27 (на схеме они обозначены с индексом T). Если ее сделать еще меньше то увеличится количество витков в обмотках и они просто не поместятся на каркасе. При частоте в 55 кГц все работает как надо, ключи при работе немного теплые, на плате предусмотрено место для их радиатора. 

Для питания микросхемы предусмотрена отдельная обмотка самозапитки. Оптимально напряжение для управления ключами примерно 15 вольт, на это напряжение и рассчитывается эта обмотка или чуть больше:

Эта обмотка подключена к выводам 2,3,4 трансформатора 2,3 - начало и конец обмотки 4 - средняя точка.

В самой микросхеме имеется встроенный стабилитрон на 15,6 вольт, но для уменьшения ее нагрева и увеличения надежности работы лучше дополнительно использовать внешний на чуть меньшее напряжение (ровно на 15 вольт в моем случае). Первоначальный запуск происходит после зарядки конденсатора С8 через резистор R1 номиналом 330 ком, после запуска преобразователя питание микросхемы идет уже от обмотки. Если конденсатор заряжается слишком долго и, соответственно, запуск происходит медленно, можно уменьшить номинал этого резистора до 100-70 Ком. 

После трансформатора мы получаем основное напряжение порядка 220-240 вольт, в моем случае получилось 260, но точного соответствия расчетным параметрам здесь не требуется, т.к. стабилизация все равно происходит по току. 

Далее по схеме следует параметрический стабилизатор напряжения на 30 вольт, выполненный на транзисторе Q1, стабилитроне D7 и резисторе R24.

На выходе получаем напряжение чуть больше, чем напряжение стабилизации стабилитрона. Резистор в цепи базы подбирается таким образом, чтобы ток базы умноженный на коэффициент усиления транзистора по току был равен требуемому току нагрузки или немного больше. В моем случае ток базы Iб = 1 мА, коэффициент усиления транзистора h21э = 20, соответственно, ток нагрузки Iн = 20 мА, чего хватает, даже с большим запасом.

Это напряжение используется для питания операционного усилителя и для получения опорного напряжения +5в. Транзистор во время работы нагревается, поэтому его необходимо установить на радиатор, место для которого предусмотрено на плате. 

Конечно для питания операционного усилителя хорошо бы было намотать отдельную обмотку, но в данном случае она бы просто уже не влезла. Да и к тому же потребление ОУ небольшое и нагрев транзистора вполне приемлемый.

Опорное напряжение (примерно 5 вольт) формируется с помощью микросхемы TL431, включенной по схеме стабилизатора напряжения. Потенциометром, обозначенным на схеме как 5VREF, можно в небольших пределах регулировать опорное напряжение, подаваемое на прямой вход ОУ и, как следствие, выходной ток прибора. 

 

Теперь непосредственно о стабилизации выходного тока.

Операционный усилитель сравнивает опорное напряжение, подаваемое на его прямой вход и напряжение с датчика тока (шунта) выполненного на резисторах R4, R18, R19, и в зависимости от результата открывает или закрывает транзистор Q2, поддерживая постоянное напряжение на шунте и, как следствие, постоянный ток в цепи нагрузки. От резисторов шунта сделаны отводы для подключения переключателя, с помощью которого можно закорачивать резисторы, тем самым меняя общее сопротивление шунта и, соответственно, стабилизируемый ток (включены все - 5,2 КОм, замкнут R4 - 510 Ом, замкнуты R4, R18 - 240 Ом). Резисторы лучше использовать с допуском 1%. Инверсный вход операционного усилителя защищен супрессором D12 на 18 вольт, его наличие необязательно, но я решил перестраховаться. Транзистор Q2 также нагревается во время работы и тоже должен быть смонтирован на радиатор. 

Итак, основная задача решена, на выходе прибора есть необходимое напряжение и стабильный ток. Осталось решить вопрос с измерением и отображением этого напряжения. 

Существует много различных модулей вольтметров, но в данной ситуации подходят далеко не все. Дело в том, что при минимальном токе (1 мА) входное сопротивление вольтметра будет серьезно влиять на выходное напряжение, просаживая его (например, при входном сопротивлении 100 КОм и стабильном токе 1 мА больше 100 В на выходе получить не удастся; два из трех модулей, которые были у меня в наличии, имели сопротивление 60КОм и 120 КОм). Если измерять выходное напряжение мультиметром, то таких проблем уже нет, т.к. их входное сопротивление обычно составляет от 1 мегаома и выше.

После недолгого поиска был найден подходящий вольтметр со входным сопротивлением порядка 800 КОм, чего вполне достаточно. Выглядит он таким образом:

Приобретался тут. Это совмещенный модуль амперметра и вольтметра. По заявленным характеристикам на 200 вольт и 10 ампер. По факту он может измерять напряжение вплоть до 240 вольт. Амперметр, входящий в его состав, не нужен, т.к. ток стабилизирован и известен, поэтому табло амперметра просто отключено. Продаются похожие, более дешевые приборы с тремя цифрами на экране, но они не подходят, т.к. там слишком маленькое входное сопротивление, у этого модуля 4 цифры! Можно, конечно, попробовать перепаять делитель входного напряжения, но это если нет других вариантов. 

Вторая проблема, которую необходимо решить, это питание этого самого вольтметра. Конечно он может питаться и от измеряемого напряжения, но это нам не подходит, опять же слишком большое потребление. Однако, от 30 вольт, которыми питается ОУ, его питать тоже нельзя, т.к. земля и минус выходного напряжения в данной схеме - это не одно и то же, и между ними может быть достаточно большое напряжение. Выход - использовать отдельную обмотку. Она состоит из двух половин со средней точкой по три витка в каждой, средняя точка подключается к отрицательной выходной клемме (V_led на схеме) отвод 10 у трансформатора на схеме, начало и конец к выводам 9 и 11. На выходе с этой обмотки мы имеем примерно 6 вольт, которые выпрямляются диодной сборкой D14, подаются на линейный пятивольтовый стабилизатор, от которого и питается вольтметр.

Немного об общей конструкции устройства. Трансформатор намотан на сердечнике ETD29/16/10 проводом 0,5 мм, на каркасе  B66359B1013T001 (горизонтальный). Т.к. используется полумост и мостовой выпрямитель на выходе, направление намотки основных обмоток особого значения не имеет. Ошибиться можно разве что в намотке дополнительных обмоток (самозапитки и питания вольтметра), их следует мотать в последнюю очередь, возможно использовать более тонкий провод; начинаем с одного конца, мотаем половину, делаем отвод и мотаем дальше в ту же строну.  Плата рассчитывалась под установку в корпус  Gainta G1098. Размер платы примерно 99мм*67мм, это значит, что при заказе у китайцев пойдет по минимально возможной цене. Общий вид платы:

Верх

  Низ 

Общий вид (3D модель):

Теперь непосредственно об использовании устройства. Первое, для чего оно задумывалось, - это тестирование светодиодов, диодных сборок:

Тут все просто: подключаем, выставляем требуемый ток и наблюдаем работу диодов и падение напряжения на них. Стоит только аккуратно работать с одиночными светодиодами, особенно синими (белыми) - они не любят переполюсовки и их лучше подключать до включения устройства, чтобы избежать повреждения высоким напряжением.

Следующее применение - это проверка напряжения стабилитронов:

Еще один вариант применения - это проверка максимально допустимого рабочего напряжения конденсаторов: 

Как видно, исправные конденсаторы выдерживают напряжение даже с небольшим запасом. При подключении конденсатора к тестеру напряжение на нем начинает постепенно расти до тех пор, пока ток утечки не становится равным току стабилизации (тестировать конденсаторы стоит на минимальном токе в 1 мА), тогда показания вольтметра стабилизируются. На фото первый конденсатор на 25 вольт 470 микрофарад, как видно, держит напряжение до 35 вольт, второй на 100 вольт и 470 микрофарад - соответственно, держит до 122 вольт.  

Хотя этот способ описывается в нескольких источниках, у меня были опасения, что таким образом можно повредить конденсатор, все-таки происходит его пробой, хотя ток при этом ограничен всего 1 мА. Но после многократного повторения опыта каких-либо изменений характеристик конденсатора (ёмкости, эквивалентного последовательного сопротивления (ESR), добротности (Vloss)) мне обнаружить не удалось, поэтому делаю вывод, что проверка таким образом максимально допустимого напряжения вполне безопасна. 

Еще один, в принципе, очевидный момент, но все же: при стабилизации тока в 1мА на резисторе будет падать напряжение в вольтах численно примерно равное номиналу резистора в килоомах:

Конечно, из-за большой погрешности, непосредственно для измерений использовать данный метод представляется маловероятным, но как оценочный вариант может где и сгодится. 

Ну и осталось проверить заявленные характеристики, а именно ток стабилизации.

На КЗ: 

И с потребителем:

Еще один очень важный момент: на выходе тестера имеется достаточно высокое напряжение, и, хотя максимальный ток и ограничен на безопасном уровне (для постоянного тока вроде до 50 мА допустимо), а также есть гальваническая развязка от питающей электросети, но все люди разные, поэтому во время работы необходимо соблюдать все меры предосторожности и не касаться непосредственно оголенных выводов! Хоть это и не смертельно, но довольно неприятно.

Проект как всегда открытый, полностью доступен по ссылке.

Прикрепленные файлы:

Теги:

Опубликована: 0 3
Я собрал 0 1
x

Оценить статью

  • Техническая грамотность
  • Актуальность материала
  • Изложение материала
  • Полезность устройства
  • Повторяемость устройства
  • Орфография
0

Средний балл статьи: 5 Проголосовало: 1 чел.

Комментарии (31) | Я собрал (0) | Подписаться

0
Публикатор #
На форуме автоматически создана тема для обсуждения статьи.
Ответить
0
Кирилл #
Не могли бы вы поделиться проектом (схемой и платой в AD)?
Ответить
+1
Олег Богомолов #
Хорошая штуковина. Хотел давно иметь в своём обиходе такой прибор. Не безопасно ли дотрагиваться до крокодилов, когда нет проверяемого изделия?
Ответить
+1

[Автор]
AMatroskin #
Для постоянного тока безопасным считается до 50ма, тут максимум 20, от сети прибор тоже гальванически отвязан ( именно для этого по сути и нужен на первый взгляд бесполезный импульсный преобразователь с 220 на 240-260 вольт ) так что да, безопасно. Другой вопрос что не приятно) лично по моим ощущениям 1 ма слегка щиплет, а 10 и 20 уже лучше не трогать, и стараться работать аккуратно, дёргает уже ощутимо)
Отредактирован 13.01.2021 09:24
Ответить
0
Karvac #
А если хочется проверить подсветку телевизора (у которого все диоды в одну линию) как справится/что покажет (если они обычно хотят около 300 мА)?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Справится вполне, 300ма это для работы на полной мощности, для проверки и 10 ма более чем достаточно. На видео например светодиодная сборка (на которой 7 вольт падение напряжения) рассчитана на ток в 500ма, однако, видно что и при 10ма и даже при одном, она уже светится. Кстати именно для ремонта телевизоров я давно ещё сделал первый вариант такого тестера, там у меня было порядка 5ма для проверки вполне хватало.
Отредактирован 13.01.2021 12:53
Ответить
+1
vasilich #
Светодиоды подсветки в телевизорах (и не только) нужно проверять на их рабочем токе. Это поможет избежать неприятных сюрпризов в дальнейшем.
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
О каких сюрпризах идет речь?
Ответить
0
andro #
Согласен, проверял как-то использованный мощный светодиод слабым током, и он светился нормально, а при подаче рабочего тока начал мигать. После замены светодиода на новый, мигание пропало.
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Диоды порой ведут себя совершенно по разному, мне чаще попадались как раз такие, особенно в ТВ, разница в свечении которых особенно хорошо видна на пониженном токе, но возможны, конечно разные случаи.
Ответить
0
andro #
Вроде знал наоборот, что для обратноходового преобразователя требуется меньшее количество витков вторичной обмотки трансформатора. Почему тогда во всех высоковольтных преобразователях используют именно обратноходовую топологию? Да и сопротивление базового резистора параметрического стабилизатора, следовало бы рассчитывать исходя из тока стабилизации стабилитрона.
Отредактирован 24.01.2021 17:58
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Про количество витков не буду вдаваться в разъяснения, (скажу лишь что дело в наличии зазора) проще всего вы можете проверить это самостоятельно используя программу старичка или какую либо другую.
По поводу тока стабилитрона, экспериментально был выбран минимальный рабочий ток, для уменьшения нагрева транзистора, все проверено все работоспособно, не вижу смысла повышать ток до заявленных 8 мА повышая тем самым нагрев компонентов.
По поводу популярности обратноходовой топологии, не только в повышающих но и во многих других преобразователях заводского производства, ИМХО, тут все дело просто в экономии на транзисторах, драйверах и пр. т.к. когда количество устройств измеряется тысячами штук, каждый копеечный компонент серьезно увеличивает затраты на производство.
Отредактирован 24.01.2021 21:53
Ответить
0
andro #
Ну Вам решать, Я лишь просто хотел подсказать, так как часто собираю и те и другие. И кроме того, характеристика обратноходовых преобразователей хорошо подходит для стабилизации тока.
Ответить
+1
Multisim #
Подскажите пожалуйста в каких источниках описывается подобный метод измерения напряжения конденсатора?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Данный метод мне попадался в нескольких радиолюбителтских статьях, которые не являются достаточно авторитетными источниками, чтоб на них ссылаться. Однако, если вас интересуют сами процессы происходящие в конденсаторе при такой проверке, то можно почитать материалы о производстве, а именно о процессе формовки электролитических конденсаторов, в ходе которого создаётся и наращивается оксидный слой на металле обкладки. При превышении максимально напряжения, и ограничении тока происходит тот же процесс, только за счёт малого тока и кратковременности тестирования это фактически ни как не влияет на характеристики конденсатора. Так что данный метод проверки безопасен для конденсаторов, если не сказать что даже немного полезен.
Ответить
0
Multisim #
Спасибо большое за ответ!
Еще подскажите, пожалуйста, при проверке светодиодов высоковольтным тестером обязательно ли отключать схему драйвера?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Лучше отключать, т.к. если например диоды исправны, а проблемы с драйвером, (допустим пробит диод повышающего преобразователя) то светится все равно они не будут, и будет не понятно в чем проблема. Да и вообще нужно аккуратно работать с 260 вольтами, для многих компонентов такое напряжение будет фатально, даже с ограничением тока.
Ответить
+1
Raian #
Будет ли у меня проблема, если я буду использовать 1.5KE15CA вместо 1.5KE18CA?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Нет, проблем не будет, там около пяти вольт должно быть, супрессор защищает от попадания высокого напряжения операционник, следовательно можно брать любой у которого пробивное напряжение больше 6 - 7 вольт (с запасом на регулировку опроного напряжения) и меньше 30 вольт (максимальное допустимое для ОУ) ваш на 12 вольт, следовательно, тоже подойдет.
Отредактирован 27.03.2021 22:06
Ответить
+1
Raian #
Спасибо за быстрый и добрый ответ.
В связи с ограниченным доступом к некоторым из основных элементов схемы прошу вас прокомментировать выбранные мной альтернативы.
1- 13N50MF  IRFB16N50K
2- GS1K  MURS160T3G
3- SS110A  SS110F
4- HER108G  UF4007
5- STPS30H100CT  2xSB5100 in parallel & CC.
6- 1N4751  2xDZ 15V, 1W in serial.
7- BZX55C15  Any DZ 15V, 1W
8- LM7805  78L09 for Digital Voltmeter Panel based on ICL7106.
9- ETD29/16/10  EI 28/20/10.5 (Pri. 46 Turns - 1`st Sec. 71 Turns- 2`nd Sec. 5+5 Turns). Не уверен, нужен Gap или нет.).
10- L2  1mH @1A
заранее спасибо.
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Да вроде все заменено по уму. Надо обратить внимание на пару моментов:
6-1N4751  2xDZ 15V, 1W in serial. стабилитрон подходит, только нужно проверить его рабочее напряжение, что б из за разброса характеристик оно не было больше 15.6V, иначе сработает стабилитрон встроенный в шимку, и она будет греться, собственно чтоб этого не происходило внешний стабилитрон и нужен.
9- ETD29/16/10  EI 28/20/10.5 (Pri. 46 Turns - 1`st Sec. 71 Turns- 2`nd Sec. 5+5 Turns). Не уверен, нужен Gap или нет.). Параметры намотки вроде верны, если что можно проверить в программе старичка А вот зазор не нужен, это полумост, никаких зазоров.
Ответить
0
Raian #
Большое спасибо за вашу помощь и внимание.
Теперь с легкостью перейду к схематической сборке.
На мой взгляд, для большей точности добавление миллиампер и вольтметр в максимальном диапазоне 19,99 мА и 199,9 вольт безвредно. И управляйте выходным током, используя переменный резистор в шунтирующем тракте.
Каково твое мнение?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Да можно и переменный резистор добавить, я тоже думал об этом, но решил что дискретные значения тока меня устроят, только переменным резистором надо регулировать напряжение с шунта, но сам шунт должен быть цельным, без разъемов и соединений т.к. Если из за дребезга контактов или ещё по какой причине цепь шунта разорвется, то высокое напряжение попадет на операционный усилитель и повредит его. Удачи в сборке!
Ответить
0
Raian #
Я понял именно то, о чем вы сказали.
Итак, если вы согласны, резисторы R 4-R16 и R19 будут удалены, а комбинация переменного резистора 5 кОм, которая подключена к 4K 7 последовательно и, наконец, параллельно резистору 10 кОм, будет заменена.
Думаю, необходимый ток накроют.
Ответить
0
Raian #
Прошу прощения за поспешный и ошибочный расчет.
Если мы возьмем излучаемое напряжение 7 вольт, мы должны изменить сопротивление шунта с 350 до 7 кОм. Точные значения определяются во время пробного запуска.
Спасибо, что смирились с моими ошибками
Ответить
0
Raian #
Не могли бы вы еще раз подтвердить загрузочный конденсатор C 7? Все ли три конденсатора 7-13 и 14 имеют емкость 10 мкФ?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Да, все верно, с7 это бутстрепное питание для открытия верхнего ключа, его уменьшать не стоит; с13 и с14 это фильтрующие конденсаторы линейного стабилизатора напряжения (lm7805) их значение ёмкости не на что особо не влияет и может изменяться в широких пределах.
Ответить
0
Андрей #
А в какое место платы щуп подключать?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
Если вы имеете в виду выходные терминалы, то эти точки обозначены на плате и схеме как Led+ и Led-.
Ответить
0
Андрей #
Спасибо.Щупом я назвал красный и черный провода. Еще вопрос,вольтметр к какой цепи подсоединять?
Ответить
0

[Автор]
AMatroskin #
У вольтметра три провода:
Черный (общий) -> подключаем к v_led
Красный (питание) -> подключаем к Vm Vcc
Жёлтый (измерительный) -> подключаем к +220v (красный выходной щуп)
Ответить
Добавить комментарий
Имя:
E-mail:
не публикуется
Текст:
Защита от спама:
В чем измеряется электрическое сопротивление?
Файлы:
 
Для выбора нескольких файлов использйте CTRL

Тестер ESR, полупроводников, резисторов, индуктивностей
Тестер ESR, полупроводников, резисторов, индуктивностей
Arduino UNO Сатфайндер
вверх