Измеритель пробивного напряжения (Breakdown Voltage Tester).

НЕПРОВЕРЕННАЯ ИДЕЯ!!!!!

Richard L. Measures, AG6K

Регулируемый, с ограничением тока, измеритель пробивного напряжения (ИПН), работающий на постоянном токе, также известный под названием “hi-pot”, может быть использован для неразрушающего контроля сопротивления изоляции реле, конденсаторов, транзисторов и кремниевых диодов. С помощью ИПН можно также проверять электронные лампы с оксидированным катодом (типа 8877 и т.п.) на наличие в их баллонах газа и распылённых частиц золота . ИПН поможет Вам выявить лампу, которая может серьёзно повредить Ваш усилитель, если Вы рискнёте включить её, не проверив.

Для радиолюбительской практики, в большинстве случаев вполне достаточно напряжения в 15 кВ, для проверки промышленных деталей бывает необходимо до 40 кВ и более.

Поиск неисправностей в усилителе мощности без ИПН трудоёмок и занимает массу времени. Постройка усилителей мощности без предварительной проверки на ИПН рискована.

С (авто)трансформатора с регулируемым выходным напряжением (а попросту, - с ЛАТРа) - Т1, переменное напряжение от 0 до, примерно, 132 вольт подаётся на первичную обмотку высоковольтного трансформатора Т2. 120-вольтовая лампа накаливания мощностью 60 Вт включена в цепь первичной обмотки Т2 последовательно для ограничения тока в ней.

К вторичной обмотке Т2 подключен диодный удвоитель напряжения, сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения производится конденсаторами С1 и С2. R8 ограничивает ток через измерительную головку М2. Типичное значение тока во время измерений лежит в пределах 2...5 мкА.

Вместо удвоителя можно использовать и учетверитель напряжения. У него есть одно достоинство и два недостатка: от Т2 требуется вдвое меньшее напряжение, но вдвое большее число конденсаторов фильтра (четыре, вместо двух). Если после учетверителя случится короткое замыкание, то два из четырёх конденсаторов фильтра будут разряжаться через два диода выпрямителя и вторичную обмотку Т2, а это может повредить диоды и (или) Т2. Если, всё-таки, используется учетверитель, для увеличения времени стекания зарядов с конденсаторов фильтра (а, значит, и ограничения тока их разряда при к.з.), следует включить последовательно со всеми конденсаторами фильтра токоограничивающие резисторы, параллельно первичной обмотке Т2 следует включить высоковольтный ограничитель переменного напряжения (тока).

В качестве Т2 может быть использован 50...60-герцевый высоковольтный трансформатор от старой вышедшей из строя копировальной машины или от осциллографа с выходным напряжением около 6000 вольт, что со схемой удвоения напряжения даёт примерно 17 кВ постоянного напряжения. В схеме ИПН следует применять высоковольтные резисторы, работающие при напряжении до 15 кВ и выше (как правило, такие резисторы имеют удлинённый корпус, возможна их герметизация, из отечественных , кроме специальных, можно применить резисторы типа ВС, составив высоковольтные резисторы из нескольких ВС с одинаковыми сопротивлениями и расположив их в линию).

В целях безопасности, из-за наличия высокого напряжения, при изготовлении ИПН следует применять только хорошие изоляционные материалы: сухое дерево ( фанеру), защищённое покрытием от воздействия влаги и загрязнений - для изготовления корпуса прибора, акриловые пластмассы, оргстекло и фиберглас, фторопласт ( тефлон) - в высоковольтных цепях.

В высоковольтных цепях следует соблюдать идеальную чистоту, любое загрязнение снижает пробивное напряжение диэлектрика, не следует и располагать детали прибора слишком тесно: пробивной промежуток для напряжения в 1 кВ в сухом воздухе на уровне моря составляет 1 мм. Во влажном воздухе и на высоте большей, чем уровень моря этот промежуток уменьшается (или, для пробоя промежутка в один мм потребуется напряжение менее 1 кВ). Чтобы не допустить так называемого "коронирования", пайки должны быть округлыми ровными, без выступающих краёв и вытянутостей, следует избегать острых торчащих проводов во всех соединениях, острые кромки и углы спилить напильником, иначе с них будет "стекать" высокое напряжение. Следует помнить об "острых углах" и у "заземлённых" деталей, расположенных в непосредственной близости от высоковольтных цепей ИПН. "Коронирование" можно легко обнаружить, выключив в комнате свет и установив максимальное выходное напряжение ИПН , - появляется голубое свечение с характерным шипящим звуком и запахом озона (О3). Если "коронирование" есть, то необходимо в месте разряда сгладить все острые поверхности напильником, залить припоем и загладить горячим паяльником или ( и) отодвинуть "коронирующие" цепи друг от друга и закрыть их от попадания пыли и влаги, также, и для того, чтобы исключить случайное касание этих цепей во время обслуживания и ремонта ИПН.

Ограничитель тока R8 и измерительную головку М2 не следует располагать на близком расстоянии от измерительной головки М1, находящейся под потенциалом "земли". М2 и R8 следует смонтировать на изоляционной плате, вдали от проводников с низким потенциалом. Измеритель тока М2 и ограничитель тока R8 подключаются к выпрямителю с помощью соединителей типа "банан" (при чём, гнёзда установлены, для исключения касания, в блоке высоковольтного выпрямителя), для того, чтобы можно было, при необходимости, подключать высокое напряжение как к полюсу положительного, так и отрицательного напряжения.

D1 и D2 могут быть набраны как из отдельных диодов с допустимым обратным напряжением в 1 кВ, так и из диодных столбов, блоков. Уравнивающие резисторы и конденсаторы не ставятся параллельно современным выпрямительным диодам. Используйте одинаковые диоды и они сами себя "уравняют".

Основу техники неразрушающего измерения пробивного напряжения составляет способ, при котором медленно увеличивают приложенное к испытываемой детали напряжение, до тех пор, пока через неё потечёт едва заметный ток. Величину напряжения записывают и прекращают измерение. Если напряжение на испытываемой детали, включенной в схему какого – нибудь узла, при работе, превысит измеренное критическое, эта деталь выйдет из строя (применять её в таких цепях нерационально и опасно, необходим запас прочности, т. е., пробивное напряжение должно составлять не менее 200 % от рабочего). Прикладываемое для испытания к детали напряжение не нужно оставлять на ней дольше, чем это необходимо для считывания показаний с измерительных головок (М1 - измерение напряжения, М2 - измерение тока).

Для проверки деталей с более низким пробивным напряжением используется только половина напряжения, поступающего с удвоителя ( между “общим” проводом и “плюсом” или “минусом”, при этом показания головки М1 следует разделить на два).

Если ожидаемое напряжение пробоя меньше 1000 В, Вы, возможно, захотите присоединить к выводу R8 щуп цифрового мультиметра, чтобы замерить напряжение более точно. Будьте осторожны! Большинство мультиметров “не терпят” напряжений более 1000 В без применения пробников – делителей.

Вакуумные конденсаторы и реле перед установкой в аппаратуру следует проверить на наличие газа. Я видел новые (не применявшиеся) вакуумные компоненты, которые были полностью непригодными к применению из-за неполной герметизации, результаты которой, кстати, могут проявиться спустя годы после выпуска этих компонентов.

На практике, содержащие газ вакуумные реле, например, можно обнаружить через их прозрачную колбу по голубому свечению ионизированного воздуха между разомкнутыми контактами реле, находящимися под напряжением. Ионизацию в вакуумных конденсаторах можно и не заметить, так как она может происходить глубоко внутри концентрических обкладок конденсатора. Вакуумные конденсаторы проверяют с помощью ИПН при полностью введённых пластинах (в положении максимальной ёмкости). Когда вакуумный конденсатор “газит” в усилителе мощности, то это не только снижает максимальную полезную выходную мощность усилителя, но и служит источником помех в широком диапазоне частот. Подобное может происходить и с другими деталями усилителя. Если усилитель даёт помеху, то, наряду с обычными мероприятиями для этой ситуации (устранение самовозбуждения, развязка, повышение линейности...), следует проверять все вакуумные конденсаторы и реле с помощью ИПН (то же следует делать время от времени для профилактики).

В вакуумных конденсаторах, которые долго лежали без применения, могут появиться своеобразные “усы”, - отслоившиеся микроскопические медные нити (видимо, из-за остаточных механических напряжений в изделии при штамповке). Звучит необычно, но на практике эти самые нити влияют на значение пробивного напряжения, снижают его. Эти “усы” можно выжечь. Для этого к конденсатору подключают ИПН и повышают его выходное напряжение до пробоя конденсатора, сопровождающегося звуком “тинь”. Чтобы не снижать пробивное напряжение конденсатора, которое будет снижаться из-за появления в вакууме достаточного количества носителей – микроскопических частиц металла, пяти прострелов конденсатора (звуков “тинь” ) будет достаточно.

Проверка полупроводниковых приборов на пробивное напряжение и их идентичность по этому параметру важны при конструировании высоковольтных блоков питания, когда приходится включать последовательно несколько выпрямительных диодов, идентичность характеристик которых влияет на надёжность выпрямителя. Если во время работы выпрямителя “вылетает” один или несколько диодов, то повреждаются все последовательно включенные. Пробитые диоды пропускают переменный ток к фильтрующим конденсаторам. Хорошо, если они – неполярные, в противном случае, их повреждения и взрыва не избежать. Таким образом, десятицентовый диод может испортить аппаратуру стоимостью многие сотни долларов. Лучше уж сразу отбраковать неисправные детали, до установки в устройство.

Кремниевые диоды: каждый диод должен быть проверен отдельно и тщательно. Подключив кремниевый диод к ИПН в обратной полярности, устанавливаем регулятор последнего на 0 вольт. Включаем ИПН в сеть и увеличиваем его выходное напряжение до тех пор, пока обратный ток через диод достигнет значения в 2 мкА (мощные диоды могут выдерживать и большие обратные токи). Продолжайте наблюдать за показаниями измерителя тока (здесь: обратного тока диода) – М2. Если обратный ток диода изменяется без изменения, приложенного к нему обратного напряжения, то мы имеем дело с производственным браком и этот диод не следует применять. Поскольку производить маркировку диодов на их корпусе неудобно, то я их обычно раскладываю по маркированным согласно допустимому обратному напряжению коробочкам в кассетнице. К некоторым диодам, пробивное напряжение которых превосходит 1,3 кВ ( при “норме” в 1 кВ ) следует относиться настороженно, поскольку это лишь свидетельствует об излишнем “обогащении” полупроводников примесями при изготовлении диодов и может быть выявлено при измерении прямого напряжения на диоде, которое производится при заданном токе. При токе в 1 А прямое падение напряжения на исправном кремниевом p-n переходе должно быть менее 0,9 В.

Современные высоковольтные транзисторы выпускаются с допустимыми обратными напряжениями, ничуть не меньшими, чем выпрямительные диоды. Некоторые транзисторы допускают обратное напряжение до 1500 В. Проверка таких транзисторов производится также, как и диодов, с той лишь разницей, что, при измерении, следует включить резистор сопротивлением примерно в 100 Ом между базой и эмиттером биполярного транзистора или между затвором и истоком – полевого.

Определение зазора, необходимого для открытого конденсатора переменной ёмкости является делом несложным, если известно напряжение, при котором будет работать этот конденсатор, например, в РА и производится с помощью ИПН в считанные секунды.

Электронные лампы с сетками, работающие в усилителях мощности, требуют хорошего вакуума, проверка качества которого производится без накала этих ламп. Высокое напряжение прикладывается между анодом и сеткой. Исправные лампы типа 3-500Z обычно дают ток утечки менее 10 мкА при удвоенном, по сравнению с номинальным, значением анодного напряжения.

ИПН также может быть использован для определения правильного расположения нити накала в катодной трубке лампы. Когда у 3-500Z нить накала (а, значит, и катод) холодная, то у исправной лампы пробивное напряжение между нитью накала и катодом составляет 7...8 кВ. Если нить накала расположена не концентрически (ближе к катодной трубке в каком-то месте), пробивное напряжение будет ниже. По этой причине возникает сопутствующая перемежающаяся СВЧ-генерация, обусловленная мощными импульсами катодного и сеточного токов. Суть явления проста: поток электронов всегда сопровождается магнитным полем. Чем больше ток, тем сильнее поле. Во время перемежающейся паразитной СВЧ-генерации магнитное поле, порой, бывает такой силы, что его хватает, чтобы согнуть тонкую раскалённую трубку катода в сторону управляющей сетки. Если в холодном состоянии пробивное напряжение у 3-500Z меньше 6 кВ, то при горячей лампе возможно замыкание катода на управляющую сетку (кстати, перемежающаяся паразитная СВЧ-генерация - еще один источник помех, создаваемых радиолюбительской радиопередающей аппаратурой и ИПН поможет отобрать исправную лампу, чем избавит радиолюбителя от лишних проблем).

Проверка исправности других ламп с оксидированнымы катодами (8874, 8877, 3СХ800А7 и др.): у таких ламп общими являются следующие признаки: косвенно-подогреваемый катод, покрытый оксидом стронция или бария, высокое усиление, способность работы на СВЧ, и покрытая золотом управляющая сетка. Оксидированный катод является эффективным испускателем электронов. Покрытие управляющей сетки золотом позволяет устранить испускание электронов самой сеткой. Это повышает усиление лампы.

Но и здесь есть оборотная сторона медали: если золото испарится, то присутствие золотых частиц внутри лампы может создать серьёзные проблемы. В вакууме золото не испаряется до температуры более 1000 градусов Цельсия. Нагрев всей сетки до такой температуры требует энергии больше, чем мы обычно располагаем. Тем не менее, если есть возможность нагреть золотое покрытие сетки без разогрева всей сетки, то испарение золота вполне возможно. Энергия СВЧ-колебаний имеет в этом свои “преимущества”: СВЧ-токи, благодаря скин-эффекту “путешествуют” только в поверхностном слое (золотом покрытии). При паразитной СВЧ-генерации ток управляющей сетки становится достаточным для того, чтобы её золотое покрытие быстро нагрелось и стало испаряться. Получившееся в результате облако “золотого пара” может затем свободно передвигаться внутри лампы. Когда золото остывает, то образуются маленькие шарики, при рассмотрении в микроскоп похожие на капли росы на лепестках цветов. Золотые шарики падают на катод, ухудшая, таким образом его эмиссионную способность, что отмечается как уменьшение анодного тока лампы и выходной мощности усилителя. Испарённое золото может также оседать на керамической поверхности изолятора внутри лампы, что может привести к образованию электрической дуги между анодом и кольцевым выводом заземлённой сетки. Дуга возникает, в большинстве случаев, когда анодное напряжение повышается, например, при отсутствии анодного тока при запертой лампе или во время положительной полуволны усиливаемого ВЧ колебания. В этом случае, пик анодного напряжения будет примерно вдвое больше номинально приложенного к аноду постоянного напряжения. Если дуга возникает между анодом и управляющей сеткой, через неё оказывается закороченной цепь положительного высокого анодного напряжения. В результате, напряжение в цепи отрицательного смещения сетки стремится подняться до величины анодного, что приводит к выходу из строя массы деталей (рассчитанных, в общем – то на небольшое напряжение смещения). Часто возникает дуга между катодом и подогревателем или между катодом и сеткой, в первом случае, как правило, сгорает нить накала. Тест на утерю золота может быть осуществлён просто, для этого не нужно распиливать лампу, а нужно лишь применить ИПН.

Тест основан на принципе: одноимённые заряды отталкиваются, а разноимённые – притягиваются. Выньте лампу из усилителя. Прилагаемые напряжения между анодом и сеткой, положительной и отрицательной полярности, должны быть в 2...3 раза выше используемого при эксплуатации лампы анодного напряжения. “Утерянные” золотые частички можно передвигать внутри лампы, меняя полярность прикладываемого к лампе напряжения. Если на аноде “плюс”, то частички золота притягиваются к аноду, облепляя его изолятор и способствуют увеличению тока утечки ( контроль по М2). При “минусе” на аноде частички золота, наоборот, отталкиваются от анода и ток утечки уменьшается. Если в обеих полярностях подключения напряжения ток утечки одинаков, в лампе имеет место присутствие воздуха. Можно определить присутствие в лампе частичек Au и по-другому. Между анодом и управляющей сеткой с ИПН подаётся напряжения ( “плюс” на аноде) и записывается ток утечки. Выключите ИПН и, держа лампу строго вертикально анодом вверх, постучите по радиатору лампы небольшим резиновым молотком сверху и сбоку. Это приведёт к тому, что “утерянные” частицы золота упадут вниз, где они будут меньше притягиваться анодным напряжением. Не меняя положения лампы, проверьте ток утечки с помощью ИПН, если ток уменьшился, то, значит, в наличие есть “утерянное” золото.

Если ток утечки не уменьшился, либо нужно постучать по радиатору сильнее, либо с этой лампой ничего уже сделать нельзя. Последнюю процедуру (постучать по лампе) часто используют владельцы ламповых усилителей с целью до конца использовать ресурс лампы с распылённым золотом внутри. Постукиванием по лампе можно также и “сбить золото” с её катода, это повышает электронную эмиссию. Если лампу переворачивают, золотые частички “собираются в кучку” и требуется ещё “стукнуть” лампу, чтобы “согнать” это золото в место, где оно не будет мешать.

От подбора деталей зависит возможность ИПН выдавать то или иное высокое напряжение. Призвав в союзники закон Ома будем их (детали) подбирать.

Мощность токоограничительной лампы накаливания должна быть, примерно, вдвое больше габаритной мощности применённого высоковольтного трансформатора.

Важно отметить, что резисторы имеют не только ограничения по допустимой мощности рассеяния, но и ограничения по допустимому приложенному к ним напряжению. О максимально допустимом напряжении на резисторах как-то мало упоминается в обиходе, тогда как допустимая рассеиваемая резистором мощность постоянно “на слуху”, хотя в высоковольтных цепях, первому следует отдать предпочтение.

Технические характеристики резистора сопротивлением 5,1 Мом, с допустимой мощностью рассеяния 2 Вт и допуском в 5 % позволяют конструктору сделать заключение о том, что этот резистор будет длительно рассеивать мощность 2 Вт.

По закону Ома: E = [ PR ] 0,5 = [ 2 W x 5,1 M ] 0,5 = 3193 В при мощности в 2 Вт. Но вот тут-то и несоответствие. Согласно технической документации на резисторы, они будут надёжно работать при напряжении на них не превышающем 500 В. Это значит, что двухваттные резисторы, в самом деле, всего лишь: P = E 2 R = 500 В х 500 В х 5,1 Мом = 0,049 Вт ! У специальных резисторов, рассчитанных на работу при повышенных напряжениях имеется удлинённый каркас, на который навита с разрядкой проводящая полоска. Перед применением тех или иных типов резисторов в высоковольтных цепях следует внимательно ознакомиться с технической документацией на них. ( В крайнем случае, можно применять резисторы с удлинённым каркасом, типа ВС, набирая необходимое значение сопротивления из одинаковых резисторов по 200... 1000 кОм с мощностью рассеяния 2 Вт, соединяя их последовательно, из расчёта по (не более) 500 В на резистор и конструктивно располагая их в линию.

Номинал резистора R 8 - некритичен. Если не найдёте подходящего, можно использовать спиральный плёночный, выпускаемый ECG-Phillips, который Вас вполне устроит. У таких резисторов допустимое отклонение сопротивления от номинала составляет +/- 2 % и допустимая рассеиваемая мощность 2 Вт.. Такой же резистор можно использовать и в качестве R9, задача которого заключается в развязке конструктивной заряженной ёмкости головки М2 (относительно “земли”) от измеряемой цепи.

В качестве С1 и С2 следует использовать конденсаторы с рабочим напряжением не менее получаемого в ИПН максимального. Поскольку измерения на ИПН производятся при токах близких к нулевым, следует избегать применения деталей, дающих утечки в самом приборе. Также необходим запас на работу при повышенной температуре, длительное время работы при наличии токов утечек в измеряемых цепях.

Для применения ИПН при нормальной комнатной температуре конденсаторы в нём можно использовать при напряжении на них, превышающем номинальное в 1,5 раза. А, вот, например, конденсаторы Sprague Vitamin-Q, которые тщательно контролируются при производстве, можно использовать в ИПН при двухкратном превышении на них рабочего напряжения.

Если Вы будете использовать трубчатые стеклянные конденсаторы с металлическими резьбовыми выводами, то не забудьте навинтить стопорную гайку на вывод, закрепляемый на корпусе, иначе, при закручивании гайки крепления, вывод, припаянный к конденсатору, может быть вытянут из него и конденсатор будет испорчен.

Нежелательно крепить этот вид конденсаторов за один вывод, поэтому для крепления одного конденсатора необходимо четыре гайки.

Конденсаторы с металлическим корпусом крепятся на изоляционной поверхности без металлических скоб. При монтаже высоковольтных цепей следует использовать кремний-органическую резину.

При применении ИПН следует соблюдать осторожность. Несмотря на то, что ток в ИПН ограничен и имеется резистор R8, заряженные конденсаторы выпрямителя обеспечивают существенный импульс тока ( об этом следует помнить и после отключения ИПН от сети).

Когда в ИПН работают с напряжением, превышающим 8 кВ, то можно обнаружить неправильные показания измерителя тока М2 из-за коронирования на острых углах подключаемых деталей. Чтобы убедиться, что это так, нужно отключить один из выводов нагрузки, увеличить напряжение и считать показания М2. Помните о безопасности ! Подключать и отключать нагрузку к ИПН следует при отключенном питании !

Ещё немного о деталях ИПН: С1 и С2 - ёмкостью 0,01...0,5 мкФ, рабочее напряжение зависит от выходного с трансформатора Т2. D1,D2 – последовательно включенные выпрямительные диоды с допустимым обратным напряжением в 1 кВ. Общее обратное напряжение диодов должно быть более макси-мального напряжения, получаемого со вторичной обмотки трансформатора Т2 минимум в 3,5 раза.

D3 – обычный диодный 1 А мост на рабочее обратное напряжение не ниже 50 В. D4,D5 – диоды на ток 1 А и рабочее обратное напряжение более 50 В.

М1 - головка с током полного отклонения 200 мкА с линейной шкалой. Можно при-менять и более чувствительные головки, - калибровка осуществляется с помощью подстроечного резистора R5.

М2 - головка с током полного отклонения от 10 до 50 мкА.

Следует соблюдать взаимное размещение измерительных головок и их монтаж на панелях из изоляционного материала. R1,R2 - сопротивлением, примерно, 50 Мом, мощностью 5 Вт. Следует соотнести с имеющимся напряжением. Точные значения сопротивления и мощности рассеяния зависят от чувствительности измерительной головки ( тока полного отклонения стрелки) М1.

R3,R4 - по 10 кОм, 0,25 Вт. R5 - примерно 5 кОм , 0,25 Вт - многооборотный подстроечный резистор - калибровка измерителя высоковольтного напряжения ИПН. R6,R7 – 100...500 Ом , 10 и более Вт проволочные с изоляцией. R8 – ограничитель тока, примерно 5...50 Мом. Может быть набран из отдельных резисторов фирмы Phillips или спиральных резисторов. Не следует превышать (в пределе) напряжения 1414 В и мощность рассеяния 2 Вт в расчёте на один резистор. R9 – примерно 200 кОм, 2 Вт.

Т1 - регулируемый трансформатор на ток более 1,25 А, первичная обмотка - на напряжение 120 В 50...60 Гц, вторичная обмотка 0...132 В. Т2 - 50...60 Гц трансформатор, первичная обмотка 115 В, вторичная - обычно 3 кВ или более на ток более 2 мА. Грубо: максимальное напряжение постоянного тока примерно в 3 раза превышает напряжение вторичной обмотки Т2. Мощность лампы накаливания ограничителя тока следует подобрать так, чтобы ограничить ток в первичной обмотке Т2 ( да и Т1) до безопасной величины при к.з. по вторичной обмотке Т2 и на выходе высоковольтного выпрямителя. Обычно мощность ограничительной лампы накаливания превышает мощность трансформатора Т2 вдвое.

Свободный перевод с английского Виктор Беседин (UA9LAQ), ua9laq@mail.ru 
г.Тюмень, октябрь 2001 г.

Глас народа

21.05.2007 14:30 забыл добавить,на основе этого преобразователя сделал прибор для ...  --  uv5ehv 21.05.2007 14:24 еще в1987г, я делал высоковольтные преобразователи с 12в до сколь...  --  valeriy uv5ehv...