aktiver differentieller Hochspannungstastkopf im Eigenbau

[Dominic M. (dommii)]

Moin Forum,

nach langer Abstinenz hätte ich da mal wieder ne Frage: Bei passiven 
Tastköpfen hat man hin zu hohen Frequenzen das Problem der 
Kapazitätskompensation, also warum nicht einfach aktiv machen? Ich hab 
mal einen ersten Entwurf durch LTspice geschickt (siehe Anhang). Geht 
das so einfach? Ich hätte noch einen 50Ohm-Widerstand an den Ausgang 
gehängt und dann ab durch ein Koax zum Oszi.

Das ganze soll zum Messen an meinem Tesla herhalten, ich muss bevor er 
wächst endlich wissen was da genau passiert. Als HV-Widerstände hätte 
ich an Ohmite Super MOX gedacht..

Ich freue mich schon auf einen konstruktiven Austausch :)

Dominic

[Lurchi (Gast)]

Das "Problem" mit der Kompensation des Teilers hat man auch mit dem 
aktiven Tastkopf. Auch da hat man parasitäre Kapazitäten. Ein paar pF 
bei 100 Megaohm machen schon eine Menge aus. Bei mehr als etwa Audio 
Bandbreite kommt man da nicht drum rum.

Die gezeigte Schaltung taugt eher nicht, weil sie recht stark rauscht. 
Eine Teilung durch 10000 ist auch schon eine Menge: so viel muss 
eigentlich nicht. Es reicht wenn man durch den Teiler in den 
Arbeitsbereich des Verstärkers kommt. Schon 1:1000 wäre nur bei wirklich 
hohen Spannungen sinnvoll.

[Dominic M. (dommii)]

Da hast du natürlich Recht, also einfach so viel Kapazität parallel das 
das bisschen nicht mehr auffällt? :D

Ich möchte bis +-25kV messen, da fand ich das Teilerverhältnis 
angebracht. Jetzt bei der Simulation mit Kapazitäten geht mit kleiner 
Verhältnis die Anstiegszeit aber auch noch drastisch zu Lasten der 
Signalform..

[Falk B. (falk)]

Spochtlich. 25KV und hohe Frequenzen ist kein Pappenstil. Ein HV-Taskopf 
von dem Kaliber hat ja nach Typ um die 3-10pF Eingangskapazität. Wenn 
man den ordentlich kompensiert, kann der auch viele MHz. Das begrenzende 
Element ist hier dein selbstgestrickter Differenzverstärker, dessen slew 
rate ist zu klein.

[Dominic M. (dommii)]

Manchmal sieht man den Wald vor lauter Bäumen nicht. Ich hab mal den 
OPA37 in die Simulation gepackt (OPA27 und -37 habe ich in rauen Mengen 
hier) und musste verstellen das das mit der im Datenblatt angegebenen 
Beschaltung (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa27.pdf Seite 14) 
schwingt als gäbe es kein Morgen mehr. Mit etwas höherem Widerstand und 
deutlich mehr an Kapazität habe ich das zwar in den Griff bekommen, aber 
jetzt stellt sich die Frage ob das am hinterlegten Modell liegt und dann 
die Simulation der Differenzstufe am Ausgang überhaupt stimmt. Mit der 
Kompensation von Differenzverstärkern habe ich keine Erfahrung, und ich 
habe auch auf die Stelle kein Beispielschema gefunden, allerdings war 
die Stufe auch ohne die 10p nicht am schwingen..

Was haltet ihr davon? Ich werde das ganze eh nächste Woche aufbauen, 
aber man muss ja nicht unbedingt 10 Stück von den guten OPAs durchhauen 
bis die Stufe nicht mehr schwingt :D

[Martin O. (ossi-2)]

Und ein Tek6015 hat 6 Abgleichpunkte (Abgleich kostet mich einen 
Vormittag) und ab 1MHz setzt ein kräftiges Derating der maximal 
zulässigen Amplitude ein.

Scheint alles nicht so einfach zu sein. Schon ein 100MOhm 50kV 
Widerstand ist mit seinen parasitären Kapazitäten (nach Masse) längst 
kein einfaches Bauteil mehr.

[Possetitjel (Gast)]

Dominic M. schrieb:

> Ich hab mal den OPA37 in die Simulation gepackt (OPA27
> und -37 habe ich in rauen Mengen hier) und musste
> verstellen das das mit der im Datenblatt angegebenen
> Beschaltung (http://www.ti.com/lit/ds/symlink/opa27.pdf
> Seite 14) schwingt als gäbe es kein Morgen mehr.

Naja.

Wer in einer Schaltung mit Verstärkung Eins unbedingt
OPVs verbauen muss, die nicht eins-stabil sind, dem ist
aus meiner Sicht nicht mehr zu helfen. Tut mir leid.

Natürlich kann man hinwürgen, dass es trotzdem irgendwie
geht, aber muss das sein?

Wenn Geld keine Rolle spielt: OPA627. Eins-stabil, genau,
schnell (16MHz; 40V/µs).

[Dominic M. (dommii)]

Ein 2100€-Tastkopf ist nunmal was anderes als wenn man das aus deutlich 
unter 100€ an Material zusammendengelt. Ich will aber auch nicht bis 
75MHz messen, theoretisch würde mir schon der OPA27 reichen weil meine 
Grundschwingung bei 90kHz liegt. Wenn ich mir aber schon die Arbeit 
mache, dann wenigstens halbwegs richtig..

Trotzdem danke für deinen (semi-)hilfreichen Beitrag ;)

[Possetitjel (Gast)]

Dominic M. schrieb:

> Trotzdem danke für deinen (semi-)hilfreichen Beitrag ;)

Mit wem redest Du? Es gibt eine Zitat-Funktion.

[Dominic M. (dommii)]

Wenn im Datenblatt eine Beschaltung für einen Unitygainbuffer angegeben 
ist gehe ich davon aus das sie sich in der Simulation und Realität 
zumindest halbwegs verhält wie im Datenblatt. Das dem nicht so ist kann 
eigentlich nur daran liegen das der OP27 und nicht der OPA27 hinterlegt 
ist, es hätte aber auch sein können das ich einfach zu blöde bin, 
deshalb wollte ich man nachfragen..

Der OPA627 ist natürlich ein ganz schöner Brocken, vorallem da ich 4 
Kanäle aufbauen will, kommt aber trotzdem mit auf die Liste. Danke dir 
für den eindeutig konstruktiveren Beitrag :)

EDIT: Mit dem eins über dir, Martin O. der mir erzählt hat wie schön es 
sich doch mit seinem 2100€-Tastkopf arbeiten lässt..

[Possetitjel (Gast)]

Dominic M. schrieb:

> Wenn im Datenblatt eine Beschaltung für einen Unitygainbuffer
> angegeben ist gehe ich davon aus das sie sich in der Simulation
> und Realität zumindest halbwegs verhält wie im Datenblatt. Das
> dem nicht so ist kann eigentlich nur daran liegen das der OP27
> und nicht der OPA27 hinterlegt ist, es hätte aber auch sein
> können das ich einfach zu blöde bin, deshalb wollte ich man
> nachfragen..

Hmmja, ich verstehe Deinen Standpunkt, vertrete aber eine etwas
abweichende Meinung: Wenn man ein Bauteil unter Bedingungen
betreibt, für die es nicht geschaffen ist, dann ist der Ärger
vorprogrammiert.

Insofern ist das für mich immer nur das allerletzte Mittel.

Die Frage, ob und wo Deine Simulation falsch ist, kann ich
leider nicht beantworten, da gibt es Kundigere.

> Der OPA627 ist natürlich ein ganz schöner Brocken, vorallem
> da ich 4 Kanäle aufbauen will, kommt aber trotzdem mit auf
> die Liste.

Rein technisch ist das Ding super, aber an 4x3 Stück wird man
ja arm.

> EDIT: Mit dem eins über dir, Martin O. der mir erzählt hat
> wie schön es sich doch mit seinem 2100€-Tastkopf arbeiten
> lässt..

Nee, das hat er eigentlich gar nicht.

Er hat Dir erzählen wollen, dass selbst ein 2100Euro-Teil
heftige Einschränkungen hat. Das liegt in der physikalischen
Natur der Sache.
Das hat Dir ja auch Falk verklickern wollen: Mehr Realismus
erhöht Deine Erfolgschancen :)

[Dominic M. (dommii)]

Da gehen unsere Meinungen diametral auseinander, das könnte aber auch 
daran liegen das ich hier (skrupellos wie ich bin) 600 mal die Sekunde 
simulierte 3MVA durch einen kleinen MMC aus WIMA FKP1 jage, bei einer 
Frequenz wofür die absolut nicht mehr spezifiziert sind. Die von Hand 
wild und ohne Zwischenlagen gewickelte Ladedrossel zur 
Spannungsverdopplung auf 8kV DC macht das ganze nicht besser. Bevor wir 
das aber auf 12MVA und 16kV DC mit dem dicken 2,5k€ 
Hochspannungskondensator von General Atomics aufbohren möchte ich doch 
gerne wissen was so ungefähr von statten geht, auch wenn wir uns da mit 
dem 3-Phasen-40A-Stelltrafo rantasten.

Von daher, mit +-33% wäre ich schon mehr als glücklich, das wäre nämlich 
mindestens zweidrittel mehr als was wir bis dato von dem Höllengerät 
wissen: 
https://www.facebook.com/dominic.mahling/videos/vb.100000802107741/1077023855667674/ 
:D

Meine Antwort auf Martin O. war aber auch nicht allzu ernst gemeint, 
deshalb der Zwinkersmiley ;)

EDIT: Ich hoffe trotz meiner spitzen Bemerkungen auf einen weiterhin so 
konstruktiven Austausch, bis dato habt ihr meine Idee ganz schön nach 
vorne gebracht!

[Martin O. (ossi-2)]

Deine bisherige Simulation ist vermutlich ziemlich unrealisisch, weil Du 
an den meisten Stellen von idealen Komponenten und Aufbau ohne 
parasitäre Komponenten ausgehst.

Versuch mal ein wenig "nicht-ideale" Komponenten zu berücksichtigen:
Toleranzen der Widerstände und Kondensatoren. Aufbau des 100Mohm 
Widerstands als mehrere Einzelwiderstände bzw als "langer Widerstand" 
wobei jeweils unkontrollierbare Kapazitäten ( 1pF) nach Masse bestehen.
usw....

[eProfi (Gast)]

Auch mir erscheint es, als ob Du ziemlich blauäugig an die Sache 
herangehst.

Hast Du mal entsprechend recherchiert?
Beitrag "Hochspannungstastkopf Tek P6015"
Beitrag "Eigenbautastköpfe"
Beitrag "Hochspannungstastkopf"
Beitrag "600 MHz differential probe Eigenbau"
Auch die darin enthaltenen Links alle gelesen und verstanden?
Speziell die YT-Links zu Eric Wasatonic
Beitrag "Re: Hochspannungstastkopf Tek P6015"

Sinn eines Tastkopfes ist, die Schaltung möglichst wenig zu belasten und 
damit zu verändern. Das ist bei Deinen 50pF nicht mehr der Fall.
Rechne / simuliere mal, wie viel Strom da fließt.
Gut, bei einer großen TC macht das jetzt nicht so viel aus, aber denke 
auch an parasitäre Effekte durch die hohen Messströme auf die 
Messgeräte.
Mein Ziel war, den Kopf möglichst hochohmig (>500MOhm) und 
niederkapazitiv (2-3pF) zu bekommen.

[MiWi (Gast)]

Possetitjel schrieb:

>
> Wenn Geld keine Rolle spielt: OPA627. Eins-stabil, genau,
> schnell (16MHz; 40V/µs).

auch wenn Du nicht der TO bist:

Wenn Geld eine Rolle spielt - OPA659. Sehr schnell, ebenso kaum 
Eingangsstrom und auch ausreichend stabil.

überhaupt gibt es in dieser OPAxxx-Serie einige, die passen könnten. muß 
ja nicht der Turbo sein

Ansonsten LTC6268 (weil sehr geringer Eingansgstrom) ausreichend schnell

@ den TO
Dominic M. schrieb:

>
> Von daher, mit +-33% wäre ich schon mehr als glücklich, das wäre nämlich
> mindestens zweidrittel mehr als was wir bis dato von dem Höllengerät
> wissen:
> 
https://www.facebook.com/dominic.mahling/videos/vb.100000802107741/1077023855667674/

Nicht jeder hier ist bei dem Verein...


Anyway, im eevblog gibt es etliche HV-Tastkopf-teardowns, mach Dich auch 
dort schlau wie die aufgebaut sind und wende das Erlernte dann an, 25kV 
sind kein Lercherlschaas...


MiWi

[Dominic M. (dommii)]

Wie eProfi schon schrub, der Sinn eines Tastkopf ist es eigentlich so 
wenig wie möglich zu belasten. Damit habe ich aber bei diesem DUT keinen 
Stress, weshalb ich hoffe günstiger wegzukommen und mir die Teardowns 
(die ich mir natürlich schon lange angeguckt habe) nicht wirklich 
helfen, bei 8 differentiellen Messpunkten wären das sonst immerhin 16k€ 
für die Probes..

Wie dem auch sei, ich hab mal versucht alles von euch zu 
berücksichtigen, 5m Cat5 habe ich auch mit eingebaut. Da das 
Ausgangssignal den 100kHz selbst mit den OP27 folgen kann werde ich es 
so als ersten Versuch nächste Woche aufbauen und berichten.

@MiWi eigentlich müsste der Link auch ohne Mitglied zu sein 
funktionieren. Danke für den Tipp mit dem 659, der schaut ja mal so 
richtig lecker aus und kommt definitiv auf die Liste..

[MiWi (Gast)]

Dominic M. schrieb:


> @MiWi eigentlich müsste der Link auch ohne Mitglied zu sein
> funktionieren. Danke für den Tipp mit dem 659, der schaut ja mal so
> richtig lecker aus und kommt definitiv auf die Liste..

Nun, bleifrei und ROHS-Konform ist er ja, also - Mahlzeit.

Ansonsten ist zu Deinem Problem eh alles gesagt, Du mußt es nur noch 
verstehen und das dann auch umsetzen.

Viel Erfolg

MiWi

[Elektrofan (Gast)]

>  Sportlich. 25KV und hohe Frequenzen ist kein Pappenstil.

>> Als HV-Widerstände hätte ich an Ohmite Super MOX gedacht..

Kondensatoren mit  x kV gibt es selten in SMD, und sollten fachgerecht 
gelagert werden:     ;-)

http://www.3d-meier.de/tut15/Sonstiges/HEC1.jpg

[Dominic M. (dommii)]

So, es ist der TL052 geworden, bis auf den Überspannungsschutz ist alles 
zusammen und das Messergebnis kann sich imho sehen lassen. Jetzt werden 
noch die HV-Platinen in Konservendosen als Schirmung mit Epoxy vergossen 
und alles zusammen kriegt ein paar hübsche Gehäuse :)

Danke mal wieder für eure Hilfe, ich halte euch natürlich weiter auf dem 
Laufenden..

Beste Grüße,

Dominic

Edit: Schaltplan angehängt, und direkt den ersten Fehler gefunden, 
eigentlich sind es 100meg

[aölkdsjf (Gast)]

Dominic M. schrieb:
> Da gehen unsere Meinungen diametral auseinander, das könnte aber auch
> daran liegen das ich hier (skrupellos wie ich bin) 600 mal die Sekunde
> simulierte 3MVA durch einen kleinen MMC aus WIMA FKP1 jage, bei einer
> Frequenz wofür die absolut nicht mehr spezifiziert sind. Die von Hand
> wild und ohne Zwischenlagen gewickelte Ladedrossel zur
> Spannungsverdopplung auf 8kV DC macht das ganze nicht besser. Bevor wir
> das aber auf 12MVA und 16kV DC mit dem dicken 2,5k€
> Hochspannungskondensator von General Atomics aufbohren möchte ich doch
> gerne wissen was so ungefähr von statten geht, auch wenn wir uns da mit
> dem 3-Phasen-40A-Stelltrafo rantasten.

Darf man zum dem Teil mal genauere Infos haben? Mich würde vor allem der 
MMC interessieren. Was für eine Stromquelle habt ihr zur Verfügung? Was 
für Halbleiter verwendest du?

[Andrew T. (marsufant)]

Dominic M. schrieb:
> EDIT: Mit dem eins über dir, Martin O. der mir erzählt hat wie schön es
> sich doch mit seinem 2100€-Tastkopf arbeiten lässt..

Martin nennt aber nur den Typ: Tektronix P6015.
Vom Preis her lese ich nichts, aber lass Dir gesagt sein: P6015 gibt es. 
zw. 150 bis 220 euro in sehr gutem zustand gebraucht.
Auch das Nachfüllen des HV-Fluid (bei meinem alle 5 Jahre ) ist keine 
ernsthaftes Problem.

der P6015A  ist dagegen teurer. Ob Du unbedingt die A Version benötigst, 
müßtest du ggfs. selber prüfen.

[Andrew T. (marsufant)]

Dominic M. schrieb:
> Edit: Schaltplan angehängt, und direkt den ersten Fehler gefunden,
> eigentlich sind es 100meg

Die 2 x4 parallelgeschalteten OPV an den Eingängen waren zur 
Rauschoptimierung nicht wirklich nötig.

[Dominic M. (dommii)]

@aölkdsjf: Der MMC besteht aus FKP1 mit 220nF und 1250VDC, 12 in Reihe, 
10 parallel. Die Stromversorgung ist ein Dreiphasen-HV-Trafo mit einem 
6Punkt-Gleichrichter aus je 10 RHRG30120 in Serie. Das macht dann 4kVDC 
und geht über einen weiteren 10er Diodenstrang in Serie auf die 1H 
Ladedrossel.

@Andrew: Gebrauchtkäufe sind über die Uni relativ schwer abzuwickeln. 
Die P6015 hat aber auch ein zu kurzes Kabel und um differentiell messen 
zu können bräuchten wir zwei Stück.

Die 4 OPV braucht es um die 60Ohm Leitung ohne Probleme treiben zu 
können.

[Falk B. (falk)]

@Dominic Mähling (dommii)

>Die 4 OPV braucht es um die 60Ohm Leitung ohne Probleme treiben zu
>können.

Was kompletter Humbug ist. Erstens braucht es für einen INTERNEN Filter 
in dieser Elektronik keinen 60 Ohm Filter (der dann auch nicht 
unsinnigerweise mit echten OPVs extrem hochohmig abgegriffen wird) und 
2. Kann man OPVs so nicht einfach parallel schalten, das geht nicht 
wirklich. Nur weil man zur Rauschoptimierung manchmal mehrere 
Eingangsstransitoren zu einem rauschärmeren Supertransistor parallel 
zusammenschalten kann, geht das noch lange nicht mit OPVs.

[Dominic M. (dommii)]

Ehem, das ist kein interner Filter sondern das Ersatzschaltbild des 
Twisted Pair mit 60Ohm Wellenwiderstand, welches wie es sich gehört vorm 
Abgriff mit 60Ohm terminiert wurde. Das man OPVs mit Ausgangswiderstand 
außerhalb der Gegenkopplung nicht parallel schalten kann ist mir auch 
neu.

[Dominic M. (dommii)]

Noch im ungeschirmten Zustand haben wir heute mal 100nF in 10 Wicklungen
auf 16cm Rohr (ergibt dann ~110kHz Resonanzfrequenz) entladen und
gemessen. Bis auf ein paar fiese Transienten, die hoffentlich wenn
ordentlich geschirmt kleiner werden oder am Versuchsaufbau selbst 
(Entladen über Funkenstrecke) liegen, schaut das ziemlich brauchbar 
aus..