Picture
Crea sito

#003i: Progetto completo con PCBWay: Sonda Alta Tensione

Posted |


Progetto completo con PCBWay

 

di PIER-ALESSANDRO AISA

Introduzione

Questo articolo risponde ad una domanda che mi sento spesso fare: “Come si fa a misurare un’alta tensione, senza dovere ricorrere a delle costose sonde differenziali ?”. Specialmente nel mondo delle bobine di Tesla, dei generatori di Cockroft Walton, dei generatori di Van der Graaf, spesso risulta utile avere un piccolo strumento economico, da utilizzare per misurare tensioni di diverse migliaia di Volts. Il progetto presentato nelle pagine seguenti è stato sviluppato in collaborazione con  PCBWay, leader mondiale nella costruzione di circuit stampati, con il miglior posizionamento costo\qualità\rapidità di delivery. Nei prossimi paragrafi verranno dettagliate tutte le fasi necessarie allo sviluppo di questo progetto. Ed in particolare

  • Dimensionamento ed Inserimento schema elettrico
  • Sbroglio del circuito stampato
  • Ordine a PCBWay di10 prototipi in fast prototyping
  • Montaggio e Test del primo prototipo

DIMENSIONAMENTO

Come dati di progetto si sono utilizzati i seguenti input:

  • Massima tensione in ingresso 5.000 V
  • Massima frequenza di lavoro = 1MHz
  • Ingombro massimo compatibile con un case di tipo sonda da strumento
  • Sviluppo di un prodotto a basso costo

Lo schema di base è un attenuatore, che sfrutta la caduta di tensione delle resistenze per presentare all’uscita una tensione con un rapporto di attenuazione configurabile rispetto all’ingresso. Considerato che l’oggetto sarà abbinato a strumenti da laboratorio quali multimetri o oscilloscopi si è valutato che l’impedenza di uscita dovrà tenere conto dell’impedenza di ingresso degli strumenti ad esso collegati.Figura 1: Schema elettrico

Le possibilità di usare questo schema sono due e quindi lo stesso circuito stampato con un diverso montaggio puo’ implementare le soluzioni di seguito indicate:

 

  1. In parallelo: Utilizzare l’attenuatore in parallelo ad uno strumento di misura ad impedenza di ingresso nota ed in questo caso la resistenza finale, quella a cui si collega lo strumento dovrà avere un valore tale per cui:

 

Considerando una massima tensione pari a 5.000V sono state selezionate:

  • 9 resistenze del valore di 1 megaohm
  • 1 resistenza del valore di 1.11 mega ohm

In questo modo la massima corrente che scorre nel partitore è pari a 5.000V / 10.11 megaohm = 500uA

 

  1. In serie: Utilizzare l’attenuatore in serie ad uno strumento di misura ad impedenza di ingresso nota ed in questo caso tutte le resistenze da R1 a R10 dovranno avere lo stesso valore della resistenza di ingresso del multimetro e cioè:

Considerando una massima tensione pari a 5.000V sono state selezionate:

  • 9 resistenze del valore di 10 megaohm

In questo modo la massima corrente che scorre nel partitore è pari a 5.000V / 10 megaohm = 50uA

PROTOTIPO SU PIASTRA MILLEFORI

Prima di procedere allo sbroglio del circuite si è provveduto a realizzare un prototipo su basetta millefori.

RIMG1739.jpgFigura 2:Prototipo realizzato su basetta millefori

SBROGLIO CIRCUITO STAMPATO

Per lo sbroglio è stato usato l’ambiente Altium

Figura 3 : Ambiente di sbroglio Altium

Sono state provate diverse soluzioni al fine di massimizzare le distanze di isolamento, che in un progetto di questo tipo possono fare la differenza. Idealmente la rigidità dielettrica dell’aria è di 3KV / mm a pressione atmosferica sul livello del mare ed alla temperatura di 20°C.

Di conseguenza una distanza in aria di 2 mm è sarebbe sufficiente per tenere i 5KV. Ma in questo progetto abbiamo fatto in modo di aumentare il più possibile le distanze mantenento un fattore di forma accettabile per avere un oggetto che sia contenuto in una scatola da sonda con piccole dimensioni.

Figura 4: Primo tentativo di sbroglio

Figura 4: secondo tentativo di sbroglio

Figura 5: Inserimento fresature

ANALISI DEI CIRCUITI STAMPATI RICEVUTI da PCBWay

Vorrei sottolineare la rapidità con cui sono stati prodotti e spediti i circuiti stampati. In 4 giorni dall’ordine ho ricevuto i circuiti stampati. Secondo me il tempo tipico è di 7 giorni lavorativi, poi in alcuni casi fortunati può essere anche ridotto. La qualità dei PCB, secondo me trattandosi di prototipi è assolutamente accettabile. Le foto seguenti sono state eseguite tramite microscopio USB e rappresentano i punti principali dove si può valutare la qualità del processo, come vias, fori, serigrafia, silkscreen, centratura.

Figura 4: Primi prototipi ricevuti da PCBWay

Figura 5: primo prototipo PCBWay montato e pronto per il test

COLLAUDO DEL PRIMO PROTOTIPO PCBWay

Per verificare il corretto funzionamento della sonda HT si è deciso di alimentare tramite una tensione di 800 Volt alternati a 50Hz e di effettuare la lettura della tensione tramite multimetro.

Figura 6: Misura di una tensione pari a 802 Vac 50Hz

Figura 7: Misura di una tensione pari a 802 Vac 50Hz, tramite la sonda HT