Wie met een oscilloscoop aan de netspanning wil meten, stuit al
snel op beperkingen. Het chassis van de scoop is immers
verbonden met de aarde, en dat geldt ook voor de GND van de
probe.
Dat valt te omzeilen door de scoop op een niet-geaarde WCD aan
te sluiten, maar dat veroorzaakt een ernstig risico: op alle
onderdelen kan een levensgevaarlijke spanning komen te staan!
Beter is het, "iets" tussen meetobject en scoop te plaatsen, dat de netspanning reduceert tot een spanning waar de scoop mee overweg kan.
Het schema hierboven vervult die taak naar wens.
Om te beginnen is daar R5 ... R8.
Die vormen een spanningsdeler met R9/P1/R14.
Als P1 juist is afgesteld, verzwakken ze het ingangssignaal tot
1:200. De opamp versterkt dit signaal twee maal (R10/R11).
Dan is er R1 ... R4.
Bij deze ingang speelt R10 geen rol, omdat de inverterende
ingang van de opamp een virtueel massapunt vormt. De verzwakking
is dus 1:100. De opamp versterkt dit signaal één maal.
De condensators in deze kringen doen dienst als
frequentiecompensatie. Hoogohmige weerstanden gaan een
laagdoorlaat vormen met paracitaire capaciteiten:
de ingang van de opamp en wat daar omheen zit.
De condensators corrigeren dit
gedrag.
De waarden zijn hierbij niet willekeurig gekozen - het product
(weerstand x condensator) zou (in een ideale wereld) steeds
gelijk moeten zijn. Dat is natuurlijk niet zo, vandaar de
aanwezigheid van C11 en C13.
We beginnen met afgekoppelde ingangen.
Als de gebruikte opamp over een offset-regeling beschikt, de
LT1363 bijvoorbeeld, maken we daar gebruik van om de
uitgangsspanning op 0V in te stellen.
Is er geen offsetregeling aanwezig, zoals bij de LM7171,
dan noteren we de uitgangsspanning.
Nu zetten we op beide ingangen een flinke gelijkspanning, en gaan we P1 bijregelen tot de uitgangsspanning 0V bedraagt ― of, bij opamps zonder offsetregeling, tot de uitgangsspanning gelijk is aan de spanning die we daarnet genoteerd hebben.
Volgende stap: zet een blokgolf op de `L' ingang,
terwijl de `H' ingang met GND verbonden wordt.
Verdraai nu C13 tot er op de uitgang een signaal verschijnt dat
zo goed mogelijk op het ingangssignaal lijkt.
Daarmee is de frequentiecompensatie van deze ingang bijgesteld.
Laatste stap: leg L aan GND, en zet de blokspanning op
H. Nu is het C10, waarmee we de frequentiecompensatie
bijstellen.
Het lijkt op het eerste zicht onlogisch, om C10 juist daar neer
te zetten, maar op deze plaats wordt ook gecompenseerd voor de
invloed die R11/C12/C13 hebben op de `H' ingang.
Er bestaat dus er geen noodzaak om C9 te calibreren. Maar ik heb
het zekere voor het onzekere genomen door op de print ruimte te
voorzien voor een combinatie van meerdere condensators.
Hoe bekom je een blokspanning met een flinke amplitude?
Ik heb het zo gedaan:
R1 en R2 moeten hierbij beletten dat de oplaadstroom, bij het inschakelen, de aardlekschakelaar laat afslaan.
Erg veilig kan ik het niet noemen, maar tenslotte bouwen we de differentiële probe om (ook) aan onveilige spanningen te kunnen meten. Hoe dan ook, opletten blijft de boodschap!
Ideaal is de uitgangsspanning van deze blokgolfgenerator niet,
maar hij komt wel in de buurt zoals het plaatje ernaast toont.
Het onderste signaal is afkomstig van de blokgolfgenerator.
Het bovenste signaal wordt geleverd door de differentiële
probe.
Wie goed kijkt, ziet dat de neergaande flank bij het bovenste
signaal te ver doorschiet. De oorzaak hiervan moet gezocht
worden bij de coax-verbinding (ca. 2m) tussen probe en scoop, en
het ontbreken van een afsluitweerstand.
Mèt afsluitweerstand ziet het er veel beter uit, maar dan
halveert de amplitude.
In de uiteindelijke opstelling zit er maar 20cm coax tussen
probe en print. De vervorming is dan niet helemaal verdwenen, maar
veel merk je er niet meer van.
Hier een praktische meting: een dimmerschakeling.
Het bovenste signaal toont de spanning tussen MT1 en gate.
Het onderste signaal laat de spanning over de belasting zien.
Hier zien we de opgaande flank van de spanning over de belasting bij
een niet-ontstoorde schakeling.
Dat gaat van 0V tot 300V in
minder dan 400nS, als ik mijn scoop mag geloven.
Merk op, dat de tijdbasis heel wat smaller is dan bij het vorige
plaatje.
Idem als hierboven, maar nu mèt ontstoorfilter. Er is flink
wat oscillatie te zien, wat er op wijst dat het filter niet
ideaal is.
L = 100μH en C = 100n.
Dat is OK voor zwaardere
belastingen (> 150W), maar hier is de belasting een lampje van
40W.
Anderzijds is de opgaande flank heel wat minder
steil dan bij het middenste plaatje.
Voor een goede werking is het aan te bevelen om de schakeling in
een metalen behuizing onder te brengen. Het is daarbij ―voor
de veiligheid―
absoluut noodzakelijk dat die behuizing deugdelijk
geaard wordt!
Zorg ook voor een goede isolatie van de 230V-leidingen.
Dit is een probe met zwevende ingangen. Daar kan bijgevolg geen
doorsnee BNC-connector voor gebruikt worden. Het chassisdeel mag
geen contact maken met de behuizing, en de BNC-plug moet
aanraakveilig zijn.
Geïsoleerd BNC-materiaal is weliswaar verkrijgbaar, maar
goedkoop is het niet. Ik heb daarom gekozen voor simpele
banaanstekkers. Dat is niet ideaal voor hogere frequenties, maar
zo blijft het betaalbaar...
De ingangsweerstanden en hun bijpassende condensators heb ik
telkens op afzonderlijke printjes geplaatst, en die omgeven met
krimpkous. Dat zijn de zwarte stripjes, die tegen het opstaande
stukje plexiglas bevestigd zijn.
Een andere aanpak is net zo goed, zolang de onderlinge afstand
maar groot genoeg is.
In plaats van een serieschakeling (R1 ... R4) kan ook een
hoogspanningsweerstand (zie hiernaast) van 1M gebruikt worden,
parallel aan een hoogspanningscondensator van 2p2.
Het afgewerkt geheel.
De komponentenopstelling
Zo ziet het opgebouwde printje er uit.
Wie het wil nabouwen, kan gebruik maken van deze layouts in
pdf-formaat:
De bovenzijde
(gespiegeld)
De onderzijde