Высоковольтный, высокоимпедансный вольтметр “Микрон-Гига-Вольт”

В своей практике я очень часто сталкиваюсь с задачей измерения высоковольтных слаботочных цепей. Как правило, в дозиметрах и источниках питания для ФЭУ мною применяются преобразователи, рассчитанные на очень малые токи потребления. Как результат, измерить их классическими методами с помощью мультиметров с сопротивлением входа 1 или 10 мегаом нельзя, они создают значительную нагрузку на измеряемую цепь и появляется просадка напряжения, а значит измерение производится с ошибкой, порой значительной.

Для решения этой задачи я разработал простой вольтметр с сопротивлением входа 5 ГигаОм, и максимально-измеряемым напряжением 2.5 кВ.

На элементах U1, U2, U3 собрана подсистема питания.
Микросхема U1 отвечает за зарядку встроенного Li-Po аккумулятора. Микросхема U2 — это простой LDO стабилизатор, обеспечивающий стабильные 3.0В для питания всех систем устройства. На микросхеме U3 собран инвертер, преобразующий +3В в -3В, для питания дисплея. Дело в том, что примененный в схеме внешний дисплей от Nokia 2760, для питания подсветки требует 6В, соответственно используя разность потенциалов, создаваемую инвертером U3, мы получаем две точки питания -3В и +3В, и это дает нам нужные 6В разницы потенциалов. Резистор R1 подбирается индивидуально под каждый дисплей, таким образом, чтобы ток не превышал 11-14 мА. Как правило, достаточно 10мА, чтобы подсветка светилась с нормальной яркостью.

На операционном усилителе U5 собран повторитель напряжения, который улучшает токовые характеристики высоковольтного высокоимпедансного делителя напряжения R7, R5 до достаточных значений для последующей обработки аналогово-цифровым преобразователем в МК.
Микроконтроллер U4 берет на себя задачи: компенсация напряжения смещения ОУ, обработка сигнала с делителя напряжения, вычисление минимума, максимума, прорисовка осциллограммы напряжения и т.п.

Разное:

Свежий вариант платы уже загружен на OSHPark и может быть там заказан «в один клик» ссылка.

Друг не так давно собирал его и снял про него небольшое видео, которое можно найти на YouTube по фразе «Самодельный высокоомный вольтметр».

Замену деталей на аналоги я производить не рекомендую, все детали хорошо подобраны друг к другу, и при замене аналогами могут всплыть разные неочевидные нюансы.
Пайку лучше производить с флюсом EFD FLUX PLUS 6-412-A, т.к. он имеет высокое объемное сопротивление.

Стоит отметить один нюанс. Вольтметр не любит резких скачков напряжения с нуля до нескольких киловольт на входе, и иногда создаваемая резким выбросом помеха может привести к зависанию МК. Потому для измерения высоковольтных каскадов с напряжениями свыше 500В я рекомендую подключать(или подпаивать) к ним устройство заранее, до того как они будут включены. Это обеспечит немногим более плавный подъем напряжения и не вызовет проблем при работе. Можно ещё повысить емкость C8, но иголки с киловольтными потенциалами все равно очень неплохо распространяются по такой небольшой плате. Потому лучше избегать подключения «на горячую» к цепям с потенциалами свыше 500В, и подключать его заранее, до включения цепи.

Между контактами Batt+ и SW2 подключается выключатель питания, любой который вам будет удобен.

Для удобства работы с SMD деталями, плата разведена под возможность припайки тест-пинов, в качестве встроенных измерительных щупов.

Корпус применен классический для серии разработок «Микрон», это китайский корпус от продавца RFBAT с EBAY, они у него обычно называются «Plastic Project Box Enclosure Case DIY — -1.94″*1.08″*0.55″(L*W*H)»

В момент включения происходит само-калибровка прибора, надо отметить, что в этот момент потенциал на щупах прибора должен быть равен нулю.

При измерении отрицательных напряжений(к примеру при работе с ФЭУ) будьте бдительны, схема не имеет развязки по контакту «-«, это означает что на USB разъеме и выключателе будет высокий отрицательный потенциал. Я такие измерения провожу не трогая голыми руками прибор, чего и Вам советую.

После сборки и проверки, рекомендуется покрыть плату несколькими слоями лака УР-231.

На экране отображается текущее напряжение, максимальное и минимальное за 4 секунды. А так-же график-осциллограмма напряжения с автоматической подстройкой окна.

Характеристики:
Диапазон измеряемых напряжений: от +100, до +2500 вольт
Точность измерения: +-2%+-6ед
Сопротивление входа: не менее 4.95 ГОм (зависит от качества текстолита, отмывки, лака для покрытия)
Время работы от АКБ: не менее 4-х часов.

Новая версия платы(v.2.02) из этой статьи содержит вырезы в текстолите, для увеличения объемного сопротивления текстолита в критически важных местах.