sehr kurzen Impuls detektieren

[Julian (Gast)]

Hallo liebes Forum,

ich habe zurzeit ein Projekt bei dem ich nicht weiterkomme.

Und zwar handelt es sich um eine Hochspannungsplatte (1kV DC) um 
Sensoren zu testen, bei der es regelmäßig zu Überschlägen kommt. Meine 
Aufgabe ist es bei einem Test einen Überschlag nach Masse zu detektieren 
und an einen digitalen Eingang eines uC's zu übertragen (z.B HIGH == 
Überschlag während Messung; LOW == kein Überschlag während Messung).

Während des Überschlags fließen max 102mA nach GND, bedingt durch die 
Schaltung (siehe Bild) vor der HV-Platte. Ich dachte an eine LOW-Side 
Strom-Messung mittels Shunt und einer galvanischen Trennung nach dem OP 
oder ADC. Das Problem ist nur das der Überschlag sehr kurz ist <100nS, 
ich habe zwei Bilder einer Oszi-Messung angehängt, wo ich bewusst solche 
Überschläge erzeugt habe, um die Impulslänge festzustellen.

Habt ihr irgendeine Idee/Vorschlag wie man einen so kurzen Impuls 
detektieren kann?

[H.Joachim S. (crazyhorse)]

Ausreichend schnellen Monoflop damit triggern.

[.,zZummm... (Gast)]

Puls verlängern mit RC Kombi
schnelles Latch

[Falk B. (falk)]

Julian schrieb:
> Während des Überschlags fließen max 102mA nach GND, bedingt durch die
> Schaltung (siehe Bild) vor der HV-Platte. Ich dachte an eine LOW-Side
> Strom-Messung mittels Shunt

Ja.

>nd einer galvanischen Trennung nach dem OP
> oder ADC.

Unsinn. Der übliche galvanische Trennungs-Fetisch.

> Das Problem ist nur das der Überschlag sehr kurz ist <100nS,

Das ist eine kleine Ewigkeit. JEdes 08/15 FlipFlop ala 74HC74 reagiert 
auf 10ns kurze Taktpulse

> Habt ihr irgendeine Idee/Vorschlag wie man einen so kurzen Impuls
> detektieren kann?

Messung per Shunt, über minimalen RC-Filter und Schutzbeschaltung 
(Klemmung mit Doppeldiode auf GND/VCC) auf Takteingang eines D-FlipFlops 
ala 74HC74, D-Eingang auf HIGH. Kommt ein positiver Puls, taktet das 
FlipFlop die 1 ein und diese ist am Ausgang messbar. Rücksetzen per 
asynchronem RESET-Eingang. Trivial.

[Peter D. (peda)]

Also ich komme mit 8,8k/47nF auf ~400µs, das kann der MC bequem direkt 
erkennen.
Warum braucht man für max 100mA (1000V/9,8k) ein 2A Netzteil?

[Julian (Gast)]

Peter D. schrieb:
> Also ich komme mit 8,8k/47nF auf ~400µs, das kann der MC bequem
> direkt
> erkennen.

Hallo Peter,

klar du hast Recht. Bei meinen bewusst beigeführten Überschlägen hatte 
ich diesen RCR-Mix nicht davor.. somit die deutlich kürzere Impulsdauer 
bei der Oszi-Messung. Aber bedeuted das zwingend das die Impulsdauer bei 
einem Überschlag länger ist?

> Warum braucht man für max 100mA (1000V/9,8k) ein 2A Netzteil?

Frag mich nicht.. ich bin für den Versuchsaufbau nicht verantwortlich. 
Vermutlich ist kein anderes Netzteil vorhanden/verfügbar.

[Bizzler (Gast)]

Julian schrieb:
> Während des Überschlags fließen max 102mA nach GND, bedingt durch die
> Schaltung (siehe Bild) vor der HV-Platte. Ich dachte an eine LOW-Side
> Strom-Messung mittels Shunt und einer galvanischen Trennung nach dem OP

Wie kommst du denn auf diesen Maximalstrom? Ich sehe da einen 47nF 
Kondensator, der auf 1kV aufgeladen ist und über 1kOhm entladen wird.

Julian schrieb:
> Peter D. schrieb:
>> Also ich komme mit 8,8k/47nF auf ~400µs, das kann der MC bequem
>> direkt
>> erkennen.
>
> Hallo Peter,
>
> klar du hast Recht. Bei meinen bewusst beigeführten Überschlägen hatte
> ich diesen RCR-Mix nicht davor.. somit die deutlich kürzere Impulsdauer
> bei der Oszi-Messung. Aber bedeuted das zwingend das die Impulsdauer bei
> einem Überschlag länger ist?

Nein, da hat er nicht recht. Das ist die Zeitkonstante mit der der 
Kondensator nach einer Entladung wieder aufgeladen wird. Die Zeitdauer 
des Überschlags ist sicherlich sehr variable, und ist abhängig von 
Luftdruck, Luftfeuchte und Isolationsstrecke des Testobjektes.

[Peter D. (peda)]

Julian schrieb:
> Bei meinen bewusst beigeführten Überschlägen hatte
> ich diesen RCR-Mix nicht davor..

Dann kannst Du auch die Oszibilder vergessen. Was Du da siehst, ist 
irgendeine Resonanz, z.B. des Kabels.

Ein Überschlag ionisiert die Luft, d.h. stellt einen Kurzschluß dar und 
der Kondensator wird deutlich entladen. Den 400µs Aufladepuls kannst Du 
daher sehr gut messen.

Ich habe z.B. die Überschlagserkennung bei einer 15kV Röntgenquelle über 
den Strommonitor-ADC gemacht. Das Netzteil wird danach mit einer Rampe 
wieder langsam hochgefahren, so das die Ionisierung sich abbauen kann.

[Julian (Gast)]

Bizzler schrieb:
> Wie kommst du denn auf diesen Maximalstrom? Ich sehe da einen 47nF
> Kondensator, der auf 1kV aufgeladen ist und über 1kOhm entladen wird.

Ach klar... Kondensator im Gleichstromkreis, ich dachte erst das wäre 
ein Filter, mein Fehler.

Bizzler schrieb:
> Nein, da hat er nicht recht. Das ist die Zeitkonstante mit der der
> Kondensator nach einer Entladung wieder aufgeladen wird. Die Zeitdauer
> des Überschlags ist sicherlich sehr variable, und ist abhängig von
> Luftdruck, Luftfeuchte und Isolationsstrecke des Testobjektes.

Verstehe.. das der Impuls variabel ist habe ich mir schon gedacht. Das 
es die Zeitkonstante des Aufladens ist, ist mir jetzt auch klar Danke.

Peter D. schrieb:
> Julian schrieb:
>> Bei meinen bewusst beigeführten Überschlägen hatte
>> ich diesen RCR-Mix nicht davor..
>
> Dann kannst Du auch die Oszibilder vergessen. Was Du da siehst, ist
> irgendeine Resonanz, z.B. des Kabels.
>
> Ein Überschlag ionisiert die Luft, d.h. stellt einen Kurzschluß dar und
> der Kondensator wird deutlich entladen. Den 400µs Aufladepuls kannst Du
> daher sehr gut messen.
>
> Ich habe z.B. die Überschlagserkennung bei einer 15kV Röntgenquelle über
> den Strommonitor-ADC gemacht. Das Netzteil wird danach mit einer Rampe
> wieder langsam hochgefahren, so das die Ionisierung sich abbauen kann.

Ja stimmt Danke für den Tipp, werde es denke versuchen so umzusetzen.

[MaWin (Gast)]

Julian schrieb:
> Das Problem ist nur das der Überschlag sehr kurz ist <100nS,

100ns sind relaxt, in der Zeit übertragen andere Leute ganze Bücher auf 
der Leitung, du redest ja nicht von 1 Picosekunde.

Aber richtig, ein uC Eingang der auf Flanken einen Interrupt erzeugen 
soll reagiert da nicht unbedingt drauf, die werden manchmal mit dem 
Prozessortakt synchronisiert und entprellt.

Standard-Logikgatter wie vorgeschlagen schaffen das, vielleich reicht 
einfach ein FlipFlop: Reset zu Versuchsanfang, Set durch 
Entladungsblitz, am Versuchsende Q gesetzt.

[Bizzler (Gast)]

Julian schrieb:
> Hallo liebes Forum,
>
> ich habe zurzeit ein Projekt bei dem ich nicht weiterkomme.
>
> Und zwar handelt es sich um eine Hochspannungsplatte (1kV DC) um
> Sensoren zu testen, bei der es regelmäßig zu Überschlägen kommt. Meine
> Aufgabe ist es bei einem Test einen Überschlag nach Masse zu detektieren
> und an einen digitalen Eingang eines uC's zu übertragen (z.B HIGH ==
> Überschlag während Messung; LOW == kein Überschlag während Messung).

Was heißt für dich "regelmäßig"? Ist der Test "Passed" oder "Failed" 
wenn es einen Überschlag gibt? Falls es ein Isolationstest ist, was ist 
mit Übergangswiderständen bzw. Verschmutzungen die nicht zu einem 
Überschlag führen aber einen Strom fließen lassen, sollen derartige 
Fehler auch festgestellt werden?
>
> Während des Überschlags fließen max 102mA nach GND, bedingt durch die
> Schaltung (siehe Bild) vor der HV-Platte. Ich dachte an eine LOW-Side
> Strom-Messung mittels Shunt und einer galvanischen Trennung nach dem OP
> oder ADC. Das Problem ist nur das der Überschlag sehr kurz ist <100nS,
> ich habe zwei Bilder einer Oszi-Messung angehängt, wo ich bewusst solche
> Überschläge erzeugt habe, um die Impulslänge festzustellen.

In deiner Schaltung ist nicht erkennbar wo du eine LOW-Side Strommessung 
mittels Shunt unterbringen würdest. Und wie wird die Hochspannung auf 
die HV-Platte geschaltet? Die liegt doch hoffentlich nicht immer dort 
an!

Generell würde ich dir irgendwo vor dem Mikroprozessor eine galvanische 
Trennung empfehlen. Auf der Testseite liegen 1kV, die im Fehlerfall in 
Richtung Prozessor/Systeminterface weitergegeben werden können, und 
außerdem erzeugt ein Überschlag einiges an HF, was bei einem schlechten 
Aufbau den Prozessor auch aussteigen lassen kann. Eventuell brauchst du 
ja gar keine Überschläge detektieren, sondern kannst mit geeigneter 
Verkabelung (Antenne) die Prozessor Resets zählen :)

Ohne die genauen Randbedingungen zu kennen, würde das Messsystem bei mir 
vermutlich so aufgebaut werden:

  Detektor --- FlipFlop --- Optokoppler --- uC

[Julian (Gast)]

Bizzler schrieb:
> Was heißt für dich "regelmäßig"? Ist der Test "Passed" oder "Failed"
> wenn es einen Überschlag gibt? Falls es ein Isolationstest ist, was ist
> mit Übergangswiderständen bzw. Verschmutzungen die nicht zu einem
> Überschlag führen aber einen Strom fließen lassen, sollen derartige
> Fehler auch festgestellt werden?

In erster Linie wird die Strom/Spannungscharakteristik des Sensors 
erfasst. Zusätzlich ist es eine "Art" Isolationstest. Auf der Unterseite 
des Sensors befindet sich Kapton-Klebeband welches, wenn richtig 
aufgetragen, gegen die umliegende Vorrichtung isoliert. Es passieren 
lediglich Überschläge, wenn das Kapton nicht zu 100% in der richtigen 
Position aufgeklebt ist, da dann an den Auflageflächen Luft zwischen 
Sensor und Vorrichtung ist.

Bizzler schrieb:
> In deiner Schaltung ist nicht erkennbar wo du eine LOW-Side Strommessung
> mittels Shunt unterbringen würdest. Und wie wird die Hochspannung auf
> die HV-Platte geschaltet? Die liegt doch hoffentlich nicht immer dort
> an!

Die Hochspannung wird per Ralais, mit einem bereits vorhandenen Arduino 
zugeschalten. Bisher scheinen die Überschläge keine unerwünschten Resets 
des Arduinos auszulösen. Würden theoretisch Schutzdioden an den 
Eingängen des OP's ausreichen? Sind meine Beispiele so in Ordnung bzw 
würdet ihr eher über die Ladung des C's oder den Überschlag an sich 
gehen? Mit was würde man im ersten Beispiel das Clock Signal des FF 
takten?

Danke für eure Hilfe!

[Falk B. (falk)]

Julian schrieb:

> Die Hochspannung wird per Ralais, mit einem bereits vorhandenen Arduino
> zugeschalten. Bisher scheinen die Überschläge keine unerwünschten Resets
> des Arduinos auszulösen. Würden theoretisch Schutzdioden an den
> Eingängen des OP's ausreichen?

Wozu der OPV? Mach den Shunt ausreichend groß, dann hast du ein 
ausreiched starkes Signal, um das FlipFlop direkt anzusteuern. Du mußt 
eher das Signal nach oben begrenzen, aka Schutzschaltung.

> Sind meine Beispiele so in Ordnung bzw

Keine Sekunde ;-)

Erstens brauchst du keine analoge Messung, 2. ist dein Arduino mit ADC 
dafür viel zu langsam und 3. funktioniert eine galvanische Trennung per 
Optokoppler so schon mal nicht.

Man braucht keinen Optokoppler, nur einen passend dimensionierten 
RC-Tiefpass und ein paar Schutzdioden. Fertig.

> würdet ihr eher über die Ladung des C's oder den Überschlag an sich
> gehen? Mit was würde man im ersten Beispiel das Clock Signal des FF
> takten?

Mit dem verstehenden Lesen hast du es nicht so, oder?

Beitrag "Re: sehr kurzen Impuls detektieren"

[Julian (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Mit dem verstehenden Lesen hast du es nicht so, oder?

Ne :D Beim zweiten mal lesen macht es plötzlich Sinn.. Danke!
Vor was schützt der Tiefpass? Ich vermute mal vor ungewolltem Triggern 
des FlipFlops? Wie würde ich die Grenzfrequenz festlegen? Ich nehme an 
in Abhängigkeit der minimalen Dauer des Überschlags?

[Andrew T. (marsufant)]

Julian schrieb:
> Ich vermute mal vor ungewolltem Triggern
> des FlipFlops? Wie würde ich die Grenzfrequenz festlegen?

im Augenblick hast Du da 10 Nanosekunden. Vermutlich ohne Problem 
erhöhbar,
mußt Du austesten.

> Ich nehme an
> in Abhängigkeit der minimalen Dauer des Überschlags?

Ja.
Aber die Schaltung so wie sie jetzt ist, wird es nicht überleben.

Zuerst mal GND am 5mOhm direkt als Vierleiterabgriff zu Deiner 
FlipFlop-Schaltung.
Das Netzteil des Digital Teils: dessen gnd via 100 Ohm zum GND Deiner 
Hochspannung.
Du vermeidest damit die Masseverschleppung und den GND shift, da beim 
Überschlag durchaus einige 100 A fließen können von der 
Hochspannung-Seite.

Dann: Das FF ist ein 74HC74 ?
Dann passen die pin Bezechungen nicht:
schau bitte mal hier
https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT74.pdf

Dann am FF das "setzen"-Signal auf definiertes Potential (+5V). Die 
Eingänge des zweiten FF alle auf definiertes Potential.
Nix offen lassen.

Da Du ein "high" eintakten (willst),
muß der Arduino das FF per "clear" rücksetzen.
Das ganze ist negative Logik,
d.h. ein LOW führt zum Reset.

Etc.

[Falk B. (falk)]

Julian schrieb:
> Ne :D Beim zweiten mal lesen macht es plötzlich Sinn.. Danke!
> Vor was schützt der Tiefpass? Ich vermute mal vor ungewolltem Triggern
> des FlipFlops?

Ja, aber auch vor Überspannung. R4 begrenzt den Strom, die Dioden die 
Spannung. Also sollte R4 einigermaßen spannungsfest sein. Ein normaler 
2W Widerstand ist für 1kV Stoßspannung OK.

> Wie würde ich die Grenzfrequenz festlegen? Ich nehme an
> in Abhängigkeit der minimalen Dauer des Überschlags?

Ja.

Dein Rüchsetzeingang ist CL (Clear), nicht PR (Preset). Der ungenutzte 
Eingang MUSS auf HIGH gelegt werden.

[Julian (Gast)]

Andrew T. schrieb:
> mußt Du austesten.

Jo dachte mir das ich mich da rantasten muss.

Andrew T. schrieb:
> Zuerst mal GND am 5mOhm direkt als Vierleiterabgriff zu Deiner
> FlipFlop-Schaltung.

Meinst du die Masse Verbindung zum C des Filters? Sollte da ein R 
dazwischen?

Andrew T. schrieb:
> Dann: Das FF ist ein 74HC74 ?
> Dann passen die pin Bezechungen nicht:
> schau bitte mal hier
> https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/74HC_HCT74.pdf
>
> Dann am FF das "setzen"-Signal auf definiertes Potential (+5V). Die
> Eingänge des zweiten FF alle auf definiertes Potential.
> Nix offen lassen.
>
> Da Du ein "high" eintakten (willst),
> muß der Arduino das FF per "clear" rücksetzen.
> Das ganze ist negative Logik,
> d.h. ein LOW führt zum Reset.

Ja hast du natürlich recht. Habe lediglich irgendein FlipFlop aus der 
Bibliothek genommen um es zu veranschaulichen.. werde das natürlich noch 
ändern.

[Julian (Gast)]

Falk B. schrieb:
> Ein normaler
> 2W Widerstand ist für 1kV Stoßspannung OK.

Gilt das auch für den Shunt? Macht vermutlich Sinn einen mit höherer 
Leistung zu nehmen, falls es doch mal zu einem harten Kurzschluss kommt.

[Andrew T. (marsufant)]

Julian schrieb:
> Gilt das auch für den Shunt? Macht vermutlich Sinn einen mit höherer
> Leistung zu nehmen,

unnötig.

> ...falls es doch mal zu einem harten Kurzschluss kommt.

dann sind R1 und R2 diejenigen, die belastet werden.
DA macht es SINN

[Falk B. (falk)]

Julian schrieb:
> Gilt das auch für den Shunt? Macht vermutlich Sinn einen mit höherer
> Leistung zu nehmen, falls es doch mal zu einem harten Kurzschluss kommt.

So hart ist der wahrscheinlich nicht, denn deine HV-Quelle bringt sicher 
nur ein paar mA und hat ne elektronische Strombegrenzung.

[Toxic (Gast)]

Julian schrieb:
> Habt ihr irgendeine Idee/Vorschlag wie man einen so kurzen Impuls
> detektieren kann?

Ich hab den Thread jetzt nicht komplett gelesen,aber scheinbar gibt es 
schon diverse Loesungsvorschlaege.
Ich moechte lediglich noch eine folgende Option mit einbringen:
Impulsverlaengerer zum detektieren sehr kurzer Signale nach einem 
LT-Vorschlag.
Hab's mal simuliert - siehe Anhang