Высоковольтные несимметричные осциллографические пробники

Когда возникает необходимость изучения сигналов высоких потенциалов, встаёт вопрос о выборе прибора. И если для измерения высокого напряжения достаточно использовать киловольтметр, то при необходимости исследования сигналов или быстрых переходных процессов, особенно при измерении десятков киловольт в импульсном режиме, таких как искровые или конденсаторные разряды, необходимо использовать осциллограф и специальный высоковольтный осциллографический пробник.

Какой пробник использовать: пассивный или активный?

Как всегда, дело компромисса. Для измерений в диапазонах средних и низких частот (до 500 МГц) целесообразно использовать пассивные пробники с высоким импедансом (обычно 10 МОм, емкость 10 пФ) и широким динамическим диапазоном (порядка 300 В). Эти недорогие, хорошо известные устройства с целым рядом преимуществ, тем не менее, имеют и некоторые недостатки, в частности более низкую, чем у пробников с низким импедансом, полосу пропускания и более выраженную емкостную нагрузку для тестируемого устройства. Индуктивный и емкостной характер нагрузки пассивного пробника является также причиной выбросов на фронте и пульсаций на выходе пробника.

Но при исследовании высокочастотных сигналов (выше 500 МГц) и необходимости изучения сигнала во всем диапазоне частот используются активные пробники. Несмотря на то, что они имеют существенно меньший динамический диапазон и значительную стоимость, основное их достоинство – значительно меньшая емкостная нагрузка (1 пФ при входном сопротивлении 1 МОм), которую они вносят в тестируемое устройство, и, как следствие, возможность более точной оценки быстрых изменений в сигнале.

Чем высоковольтный осциллографический пробник отличается от прочих?

Как известно, осциллографический пробник в первую очередь предназначен для надежного электрического соединения входного тракта осциллографа с источником сигнала (тестируемым устройством). Высоковольтный пробник схож с обычным пассивным осциллографическим, имеет такие же части – головка пробника, кабель и разъём со встроенным компенсатором. Но необходимость использования пробника в цепях с высоким напряжением изменила его внешний вид – такой пробник более массивен, имеет защитный упор для рук, некоторые модели имеют защитные ребра, препятствующие перетеканию тока, а также более длинные кабели для безопасного размещения осциллографа вне зоны действия высокого напряжения. Часто в комплектацию высоковольтного пробника входят дополнительные элементы (крючки, зажимы), позволяющие не держать пробник руками при выполнении измерений.

Название «высоковольтный» для указанных пробников достаточно условно. Принято считать, что высокое напряжение для прибора (пробника) – это напряжение, значение которого превышает предельное допустимое значение для пробника при коэффициенте деления 10Х. Для типовых пассивных осциллографических пробников предельное рабочее напряжение обычно составляет 400-600 В (DC+АС), а максимальное рабочее напряжение высоковольтных пробников достигает значений 40 кВ и выше.

Как правило, высоковольтные пробники отличаются высоким входным сопротивлением (десятки или сотни мегаом) и фиксированным коэффициентом деления (1:100 или 1:1000), что и позволяет ослаблять входной сигнал до допустимого значения. Так, например, пробник АКТАКОМ АСА-6039 имеет максимальное рабочее напряжение 39 кВ, а пробник HVP-15HF – 30 кВ.

Высоковольтный пробник АКТАКОМ АСА-6039

Однако при этом надо помнить, что максимальное допустимое напряжение сильно зависит от режима измерения, или, иначе, от формы и частоты измеряемого сигнала. Как известно, энергия сигнала напрямую зависит от «площади под функцией», поэтому, чем более заполненную форму имеет сигнал, тем больше энергии он передает, и для высоковольтных пробников это имеет существенное значение. В большинстве случаев в технических характеристиках высоковольтных пробников приводятся три вида максимально допустимого значения напряжения: для постоянного напряжения (DC), для переменного напряжения (обычно приводится среднеквадратичное значение Uскз) и значение импульсного напряжения (Uимп). Так, например, для пробника HVP-15HF приводятся следующие значения максимального неразрушающего напряжения:

DC: 0...15 кВ;
AC Uимп: 0...30 кВп-п (импульс);
АС Uскз: 0…10 кВскз (синусоида).

Высоковольтный пробник HVP-15HF

Как правило, в руководстве по эксплуатации указываются условия использования – допустимая длительность импульса, допустимое значение пикового импульса напряжения в зависимости от Uскз, частоты и процента максимальной нагрузки (максимальная нагрузка является отношением длительности импульса к периоду сигнала, выраженным в процентах) и некоторые другие факторы. На графике приведён пример зависимости максимального пикового напряжения от процента максимальной нагрузки для пробника Tektronix P6015A.

Высоковольтный пробник Tektronix P6015A

Зависимость максимального пикового напряжения от процента максимальной нагрузки для пробника Tektronix P6015A

Для постоянного тока пробник представляет собой проводник с последовательным сопротивлением и сопротивлением нагрузки, влияние которого на входной сигнал мало и легко прогнозируемо. Для сигнала переменного тока пробник становится цепью с распределенными параметрами, где распределенные индуктивность и ёмкость совместно с резистивной составляющей образуют полный импеданс пробника, зависящий от частоты сигнала. При производстве пробников схему рассчитывают таким образом, чтобы компенсировать взаимное влияние элементов и минимизировать искажение и затухание сигнала, что необходимо для обеспечения требуемой полосы пропускания и скорости нарастания напряжения пробника.

Полоса пропускания пробника определяется частотой верхней границы диапазона, на которой амплитуда выходного сигнала снижается на -3 дБ, и указывается в характеристиках, например, «0…50 МГц» или «50 МГц». Такие пробники будут достоверно передавать сигнал в диапазоне от постоянного тока до указанной максимальной частоты. Однако бывают пробники, которые в силу конструктивных особенностей не могут пропускать постоянный ток или сигналы низкой частоты, тогда в характеристиках указывается и нижняя граница частотного диапазона. Известно правило, что для корректного отображения несинусоидального сигнала полоса пропускания должна быть не ниже частоты пятой гармоники, т.е. она минимум в пять раз должна превышать частоту сигнала. Это позволяет отображать без искажений высокочастотных составляющих такие несинусоидальные сигналы, как прямоугольный (меандр), треугольный и аналогичные.

К частотным характеристикам также относится и скорость нарастания пробника, т.е минимальное время, за которое уровень сигнала изменяется от 0,1 до 0,8 уровня фронта. Эта характеристика определяет самый крутой перепад, который пробник может передать без искажений со своего наконечника на вход осциллографа, и соответственно, должна быть в 3-5 раз меньше длительности самого крутого фронта сигнала.

Компенсация осциллографических пробников

Для правильного, без искажений, отображения входного сигнала необходимо проводить компенсацию пробника. Дело в том, что все входные цепи осциллографов, и даже разных каналов одного осциллографа, имеют определённую ёмкость, которая при работе с переменным напряжением начинает играть роль фильтра НЧ (чем выше частота сигнала, тем больше влияние). Для того, чтобы избежать связанных с этим искажений, каждый осциллографический пробник имеет встроенную схему резисторно-конденсаторного (RC) делителя, который компенсирует ёмкость пробника и ёмкость входа осциллографа.

Специально для калибровки пробников во всех осциллографах есть встроенный генератор сигнала прямоугольной формы частотой 1 кГц (прямоугольный сигнал, «меандр», содержит как высокочастотные, так и низкочастотные составляющие) и амплитудой 1-3 В (бывает даже и 5 В). Для компенсации нужно подключить пробник к нужному каналу осциллографа и выходам генератора, затем специальной диэлектрической отверткой из комплекта осциллографа вращать шлиц конденсатора так, чтобы добиться ровной плоской и горизонтальной вершины сигнала.

Компенсация осциллографических пробников

Иногда регулировочный элемент расположен в головке пробника, но чаще переменный конденсатор расположен в корпусе разъёма подключения к осциллографу. Обычно рекомендуется проводить калибровку при переносе пробника с одного канала осциллографа на другой или при значительном изменении температуры окружающей среды (влияние температурных коэффициентов элементов схемы компенсации).

Регулировочные элементы пробников

Многие высоковольтные пробники, как более дорогие и подверженные тепловому влиянию или воздействию сильных электрических полей (например, HVP-15HF, HVP-28HF, P6015A), имеют дополнительные возможности для регулировки и компенсации согласования пробника. Часто такие пробники допускают ремонт или замену компонентов и элементов конструкции, поэтому возможности установки компенсации имеют более широкий диапазон. Так, например, в пробниках HVP-15HF и HVP-28HF предусмотрена регулировка компенсации в двух полосах частот – 200 Гц и 200 кГц, а в высоковольтном пробнике P6015A производства Tektronix схема компенсации конструктивно размещена в отдельной компенсационной коробке, включает несколько регулировочных элементов, и компенсация проводится в несколько шагов на разных частотах. При расширенных установках компенсации в качестве источника сигнала уже используется не встроенный генератор осциллографа, а специальный эталонный генератор.

Компенсационная коробка пробника Tektronix P6015A имеет многошаговую систему установки компенсации

Регулировки при расширенной компенсации позволяют скорректировать практически полностью всю вершину импульса (низкочастотная регулировка), а регулировка переходной характеристики убирает выброс по переднему фронту импульса. При этом быструю компенсацию пробника и канала осциллографа пользователь проводит самостоятельно, используя отверстия в крышке компенсационной коробки, а полная компенсация проводится специалистами в сервис-центре с использованием специализированного оборудования.

Некомпенсированный пробник может существенно исказить результаты исследований и измерений сигнала, поэтому компенсировать пробник необходимо в обязательном порядке при переподключении с прибора на прибор или с одного канала на другой, при изменении условий окружающей среды и просто время от времени.

Почему нельзя использовать высоковольтный пробник для всех измерений?

Возникает вопрос: зачем столько хитростей и почему нельзя использовать высоковольтный пробник для всех измерений?

С одной стороны, из соображений электробезопасности, конструктив головки высоковольтного пробника достаточно громоздкий, но это не главное.

Как известно, точность измерительного прибора – величина обратная цене деления. При измерении больших величин естественно увеличивается шкала и цена деления шкалы и соответственно, уменьшается точность. Попытка рассмотреть слабый по амплитуде сигнал потребует увеличения коэффициента вертикального отклонения и соответственно, пропорционального увеличения шумов, который может полностью закрыть полезный сигнал.

Ослабление входного сигнала высоковольтным пробником производится за счет делителя, т.е, фактически входной сигнал ослабляется в тысячи раз. Типичная чувствительность осциллографа находится в диапазоне от 1 мВ до 10 В на клетку, т.е. на дисплее с 10 клетками можно измерять сигнал с амплитудой от 5 мВ до 50 В. При использовании пробника с коэффициентом деления 1:1000 динамический диапазон сместится в сторону увеличения – 5 В…50000 В.

Заключение

Несмотря на кажущуюся незначительность, выбор и настройка пробника – важная часть подготовки к исследованиям, требующая отдельного внимания. Современные пробники – это достаточно точные приборы, спроектированные с учётом всех возможных распределённых компонентов как подводящего кабеля, так и самой конструкции пробника, а схемы компенсации позволяют полностью скорректировать влияние пробника на полосу пропускания. Однако, помимо описанных выше вопросов, влияющих на выбор прибора, необходимо тщательно продумать способ подключения пробника к источнику сигнала во время измерений, способ подключения к заземлению (с учетом минимизации индуктивности заземляющего проводника), а также определить максимальные параметры (напряжения) измеряемого сигнала и условия безопасного проведения измерений.

При использовании материалов компании Tektronix

Посмотреть ассортимент высоковольтных осциллографических пробников для осциллографов АКТАКОМ

Посмотреть ассортимент высоковольтных осциллографических пробников для осциллографов Rigol

Посмотреть ассортимент высоковольтных осциллографических пробников для осциллографов Tektronix