Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsindikator / Wandler bis 9000V Eingangsspannung


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von William E. (williame)


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Moin,
ich suche nach einer Möglichkeit, eine anliegende Spannung zu 
detektieren. Wenn Spannung über einen bestimmten Wert anliegt, soll ein 
angeschlossener Schaltkreis, z.B. Arduino, die Information SPANNUNG EIN 
bekommen, also z.B. ein 5V Signal oder einen geschlossenen Kontakt.
Ich weiß, so etwas gibt es für ein paar Euro fertig zu kaufen. Das 
Problem ist nur, dass ich es mit einer Spannung zwischen 170 Volt und 
9000 Volt DC zu tun habe, welche zudem mit 430 kHz (±20%) gepulst ist 
(Scheitelfaktor 1,5). Spannungsquelle ist ein HF-Generator für den 
medizinischen Bereich.
Hat da jemand eine Idee für eine Schaltung mit entsprechenden 
hochspannungsfesten Bauteilen oder gibt es so etwas sogar fertig zu 
kaufen?
Grüße
William

von Udo S. (urschmitt)


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William E. schrieb:
> eine Idee für eine Schaltung

Spannungsteiler. mit Kondensator gegen Masse und ggf. nachgeschalteter 
Impedanzwandler.

William E. schrieb:
> Spannungsquelle ist ein HF-Generator für den
> medizinischen Bereich.

Für was für ein medizinisches Gerät ist das?

: Bearbeitet durch User
von William E. (williame)


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Wie würde man den Spannungsteiler denn so realisieren, dass man immer 
eine konstante Spannung hat, also z.B. 5V bei einer Eingangsspannung 
zwischen 170V und 9000V?
Es handelt sich um ein Olympus ESG 400. Soll aber später auch für andere 
Geräte funktionieren.

von Hilflos (Gast)


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Und die Schaltung willst dann -IN- das jeweilige Gerät hineinbauen?
Daß du dich da mal nich  übernimmst.
Eingefallen wäre mir das Stromzangenprinzip, also eine Spule um den 
Leiter drumherum. Das liefert aber -vermutlich- auch keine konstante 
Spannung. Außer der Strom wäre konstant. Aber selbst eine 1000A-Zange 
darf wegen der Wärmeentwicklung nur max. 15 sec betrieben werden. Aber 
9000V mit 1000A werdens wohl nicht werden?

Und das Gerät selbst hat keine eigene  Anzeige? Oder grelle Warnlichter?
Wem willst das anzeigen? Das ist ein Medizin-Produkt. Da gelten 
besondere Sicherheitsvorschriften, da brauchst niemand verständigen, daß 
da gerade "Hoch-Spannung" anliegt.

von Horst S. (petawatt)


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Die Messaufgabe muss schon etwas genauer beschrieben werden.
1) Skizze Zeitverlauf der Spannung
2) Wie hoch kann die zu messende Spannung belastet werden?
3) Was genau soll gemessen werden? DC-Spannung am Netzteilkondensator, 
Spitzenwert oder Effektivwert der Ausgangsspannung?
4) Einstellbereich der Schaltschwelle?
5) Genauigkeit der Messung?
6) Zeitdauer der Messung (thermische Belastung)?

Grüße von petawatt

von Falk B. (falk)


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William E. schrieb:
> Moin,
> ich suche nach einer Möglichkeit, eine anliegende Spannung zu
> detektieren. Wenn Spannung über einen bestimmten Wert anliegt, soll ein
> angeschlossener Schaltkreis, z.B. Arduino, die Information SPANNUNG EIN
> bekommen, also z.B. ein 5V Signal oder einen geschlossenen Kontakt.

Hmm.

> Ich weiß, so etwas gibt es für ein paar Euro fertig zu kaufen.

Na dann kauf es doch!

> Problem ist nur, dass ich es mit einer Spannung zwischen 170 Volt und
> 9000 Volt DC zu tun habe, welche zudem mit 430 kHz (±20%) gepulst ist
> (Scheitelfaktor 1,5). Spannungsquelle ist ein HF-Generator für den
> medizinischen Bereich.

Soso,  und dafür gibt es für ein paar Euro einen Spannungswächter zu 
kaufen. Jaja.

> Hat da jemand eine Idee für eine Schaltung mit entsprechenden
> hochspannungsfesten Bauteilen oder gibt es so etwas sogar fertig zu
> kaufen?

Bei den Spannungen und Frequenzen braucht man einen 
frequenzgangkompensierten HV-Tastkopf. Denn kann man kaufen, kostet halt 
ein paar Euro.

https://www.tek.com/high-voltage-probe-single-ended

Der P6015A kostet dort 2710 Euro. Das kriegt man auch deutlich 
preiswerter, zumal du keine 75MHz Bandbreite brauchst.

Sowas hier geht NICHT, die kann bestenfalls 50Hz Netzspannung messen!

https://highvoltageshop.com/Hochspannungstastkopf-40kVDC-High-voltage-probe-for-Multimeter

Hmm, wobei, wenn es nur AC ist, reicht auch ein kapazitiver 
Spannungsteiler. Allerdings muss der halbwegs HF-tauglich sein.

Sowas hier sollte reichen, viel billiger wird man es kaum finden.

https://www.reichelt.de/hochspannungs-tastkopf-40-mhz-passiv-bis-20-kv-testec-hvp-15-b-p267712.html?&trstct=pol_2&nbc=1

Diese Tastköpfe brauchen natürlich einen passenden Eingang, im 
Normalfall ein Oszilloskop mit 1M // 20pF. Das kann man nachbilden. Die 
430kHz kann man mit einem Arduino nicht direkt messen, da muss ein 
Präzisionsgleichrichter und Filter her. Das kann dann per Arduino oder 
einfachem Komparator ausgewertet werden.

Wenn man weiß was man tut kann man das ein Stück weit vereinfachen und 
einen kapazitiven 100:1 Teiler mit einfachen, passivem Gleichrichter 
bauen. Aber das ist was für Profis!

von William E. (williame)


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Ich versuche es mal, genauer zu beschreiben:
- Es handelt sich um ein Gerät für ein Elektroskalpell.
- In der technischen Doku des Geräts ist beschrieben, dass es sich um 
eine gepulste Gleichspannung in Sinusform handeln soll mit einem 
Scheitelfaktor von 1,5. Da Sinusform einen Scheitelfaktor von 1.41 hat, 
wird es wohl nur sinusähnlich sein.
- Die zu messende Spannung kann mit 1W belastet werden.
- Es soll der Effektivwert der Ausgangsspannung detektiert werden. Wenn 
die Spannung 170V erreicht oder darüber liegt (max. 9 kV), soll ein 
Relais geschaltet werden. Das Zurücksetzen des Relais soll nur über 
einen Reset-Taster erfolgen, d.h. beim Absinken der Spannung darf das 
Relais nicht von selbst wieder zurückschalten.
- Die Spannung > 170V wird maximal wenige Sekunden anliegen.

Die Schaltung soll nicht in das Gerät eingebaut werden, sondern in einem 
zu "operierenden Objekt", dass zu Testzwecken mit dem Elektroskalpell 
bearbeitet werden soll. In diesem Objekt werden Kontakte platziert sein, 
die mit dem Elektroskalpell nicht berührt werden dürfen. Falls dennoch 
eine Berührung stattfindet, soll das Relais geschaltet werden. Das Ganze 
ist zunächst nur ein Experiment und muss nicht praxistauglich sein.

Ich habe mal eine Zeichnung gemacht, wie ich mir die Schaltung 
vorstellen könnte.

von Hilflos (Gast)


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William E. schrieb:
> Ich versuche es mal, genauer zu beschreiben:

Das ist wenigstens mal eine Beschreibung! Im Klartext heißt das, du 
schaltest mit deinem 9000V-Relais die Spannung blitzartig ab, bevor auch 
noch der Kopfrest des 'Testobjekts' ab ist, statt nur dem Gehirn !

Klären kannst das Problem erst, wenn du genau weißt, wie dieses 
Elektro-/Ultraschall-Skalpell funktioniert.
Weil die Kontakte ja 9000V (!) leiten müssen.

Die Micro-Kontakte selbst muß man in einem --LEBENDEN GEWEBE-- erstmal 
positionieren können. Dieses Problem ist zuerst zu klären . Warum U>170V 
ein nichtrückstellbares Relais schalten soll, ist auch nicht klar. 
Normalerweise ist es genau umgekehrt. Sobald der CHIRURG schnippelt und 
einen der Kontakte erwischt, MUSS das Gerät sofort abschalten. Und die 
Anzahl dieser FEHL-Schnitte wird dokumentiert.

Insofern ist die Aufgabenstellung grundsätzlich verkehrt formuliert. 
Dieser Lehrer muß entfernt werden.


Mir ist die medizinische Aufgabenstellung (ie. Flight-Simulator) schon 
klar. Aber:

Das ist ein Medizin-Produkt. Da wirst nicht einmal testweise irgendwo 
was reinbauen können, auch nicht dürfen. Bei Olympus kriegst so ein 
Gerät nicht einmal zu Gesicht. Da mußt mind. Chirurg mit Privatpraxis 
sein.
Sollte es sich hier um eine Auftragsarbeit handeln, und nicht um eine 
dämliche Schularbeit, arbeite mal mit diesem Gerät, um einen Überblick 
über dessen Funktionsweise , kannst ja testweise ein Kotelett 
zerschnippeln, zu bekommen.

von Hilflos (Gast)


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Kurz gesagt: Es geht wohl um   PRÄZISIONS - TRAINING .
Arbeite mal von diesem Gesichtspunkt ausgehend .

von Hilflos (Gast)


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Die Idee ist grundsätzlich gut. Damit kann man sogar eine Menge Geld 
verdienen. Hausärzte, Fachärzte.. Weil das ist kein PC-Monitor-Training, 
sondern da kann mit höchster Präzision am 'lebenden Objekt' trainiert!
werden .

Handelt es sich aber um eine Schularbeit, schreibst einfach hin:
"Hierbei handelt es um ein Medizin-Produkt."
Kriegst dafür einen Fleck, gehst damit zur Landes-Schulbehörde...

von Falk B. (falk)


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William E. schrieb:

> eine gepulste Gleichspannung in Sinusform handeln soll mit einem
> Scheitelfaktor von 1,5. Da Sinusform einen Scheitelfaktor von 1.41 hat,
> wird es wohl nur sinusähnlich sein.

Oder es ist gerundet ;-)

> - Die zu messende Spannung kann mit 1W belastet werden.

Nicht viel bei 420kHz und bis zu 9kV.

P = U^2 / R -> R = U^2 / P = 9kV^2 / 1W = 81Mohm

Als Kondensator wären das

Xc = 1/ (2*Pi*C*f) -> C = 1/ (2*Pi*Xc*f) = 4,6 fF (Femtofarad = 0,0045 
pF)

No way! So kleine Kondensatoren gibt es nicht, das sind zwei lose Kabel 
in 10m Entfernung!

Vermutlich sind die 9kV nur die Leerlaufspannung, unter Last bricht das 
mal sicher auf deutlich unter 1kV zusammen.

> - Es soll der Effektivwert der Ausgangsspannung detektiert werden. Wenn
> die Spannung 170V erreicht oder darüber liegt (max. 9 kV), soll ein
> Relais geschaltet werden. Das Zurücksetzen des Relais soll nur über
> einen Reset-Taster erfolgen, d.h. beim Absinken der Spannung darf das
> Relais nicht von selbst wieder zurückschalten.

> - Die Spannung > 170V wird maximal wenige Sekunden anliegen.

Bis zum Abschalten.

> Die Schaltung soll nicht in das Gerät eingebaut werden, sondern in einem
> zu "operierenden Objekt", dass zu Testzwecken mit dem Elektroskalpell
> bearbeitet werden soll. In diesem Objekt werden Kontakte platziert sein,
> die mit dem Elektroskalpell nicht berührt werden dürfen.

Also sowas wie "Der heiße Draht" für Chirurgen. ;-)

> Ich habe mal eine Zeichnung gemacht, wie ich mir die Schaltung
> vorstellen könnte.

Naja, schön naiv ;-) Mit dem Spannungsteiler mißt du nie und nimmer 
420kHz. Egal.

Ich bleibe bei meiner Empfehlung. Ein kapazitiver 100:1 Teiler + 
Gleichrichter und Filter + RS-FlipFlop. Da braucht es keinen 
Mikrocontroller. Siehe Anhang. So könnte ein erster Entwurf aussehen. 
Die Schaltschwelle kann man mit R4 einstellen.

von Stefan D. (mackie05)


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Der ESG-400 arbeitet mit max 4.3 kV im sogenannten monopolaren(für 
Einsatz mit Neutralelektrode) SprayCoag Mode . Dieser ist nicht 
kontinuierlich sondern weißt einen Crestfaktor zwischen 7.5 und 9 auf. 
Die abgegebene HF-Leistung bei diesem Modus beträgt 120W. Es gibt andere 
Modis mit bis maximal 320W und unterschiedlichen Crestfaktoren. Die 
technischen modebezogenen Daten findest Du im Usermanual.
Du hast hoffentlich nicht vor Deinen Testaufbau an lebendem Gewebe zu 
testen!

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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Stefan D. schrieb:
> Du hast hoffentlich nicht vor Deinen Testaufbau an lebendem Gewebe zu
> testen!

Er will Schweinshaxen mit dem Elektroskalpell bearbeiten, um damit zu 
üben.

von Stefan D. (mackie05)


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Je nach Modus, Leistungseinstellung und Last wirst Du auch Spannungen 
deutlich unter 170V haben. Siehe Output Characteristics in der IfU das P 
über R Diagramm. Da kannst Du die entsprechenden Spannungen ableiten.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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Gibts zu diesen Elektroskalpellen ein Video, wie es eingesetzt wird? 
Heutzutage muß ja wegen des Elektro-Hypes auch das Skalpell elektrisch 
sein. Moderne Zeiten...


mfg

Beitrag #6362623 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Stefan D. (mackie05)


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Christian S. schrieb:
> Gibts zu diesen Elektroskalpellen ein Video, wie es eingesetzt wird?
> Heutzutage muß ja wegen des Elektro-Hypes auch das Skalpell elektrisch
> sein. Moderne Zeiten...
>
>
> mfg

Nunja, Elektrochirurgie gibt es seit 100 Jahren. Moderne Geräte kommen 
von Olympus, Erbe, Medtronic und vielen mehr.
Vermutlich hattest Du auch schon damit Kontakt - Sediert im OP :-)

Hierbei gibt es vielfältige Anwendungsgebiete wo schneiden, veröden, 
präparieren oder das stoppen von Blutungen zum Einsatz kommt. Das Setup 
besteht üblicherweise aus dem Generator, dem Anwendungsteil und einem 
Fußschalter zum aktivieren.

Hier mal ein Beispiel zur bipolaren Prostataresektion mit dem 
besprochenen ESG-400.

https://youtu.be/vZ7GSQBdDF4

: Bearbeitet durch User
von Stefan D. (mackie05)


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VA Henze, IKB schrieb im Beitrag #6362623:
> Wozu braucht ein normal gebildeter Mensch -!! - 9000V DC? Willst du Dich
> oder andre bruzeln oder verdampfen aufm E-Grill oder was? Oder willst
> Dich wegbiemen? Bist du ein Psychopat oder gar Mörder? Stell ich mir
> grad lieber nicht vor.

Diese Generatoren arbeiten mit AC im Bereich von 300kHz bis ca. 2 MHz. 
Das Gewebe wird durch hochfrequenten Stromfluss so stark erhitzt, daß 
man das Gewebe trennen kann. Dabei kann man bspw. gleichzeitig schneiden 
und die durch den Schnitt auftretende Blutung stoppen. Durch die hohe 
Frequenz und das Abtrennen von DC-Anteilen tritt keine wahrnehmbare 
Nerven- und Muskelstimmulation auf. Übrig bleiben die thermischen 
Effekte durch gezielte Stromkonzentration.
Das ist Stand der Technik. Allerdings kenne ich Spannungen von über 5kV 
ausser für das Zertrümmern von Gallensteinen.

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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Stefan D. schrieb:
> Das ist Stand der Technik. Allerdings kenne ich Spannungen von über 5kV
> ausser für das Zertrümmern von Gallensteinen.

Macht man das nicht eher mit Ultraschall?

von Hp M. (nachtmix)


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Falk B. schrieb:
> Allerdings kenne ich Spannungen von über 5kV
>> ausser für das Zertrümmern von Gallensteinen.
>
> Macht man das nicht eher mit Ultraschall?

Wird wohl um die Erzeugung von Schockwellen durch Unterwasser 
Explosionen gehen.




Stefan D. schrieb:
> Diese Generatoren arbeiten mit AC im Bereich von 300kHz bis ca. 2 MHz.
> Das Gewebe wird durch hochfrequenten Stromfluss so stark erhitzt, daß
> man das Gewebe trennen kann. Dabei kann man bspw. gleichzeitig schneiden
> und die durch den Schnitt auftretende Blutung stoppen. Durch die hohe
> Frequenz und das Abtrennen von DC-Anteilen...

Leuchtet ein.
Wie kommt der TE dann auf diese Aussage:

William E. schrieb:
> Problem ist nur, dass ich es mit einer Spannung zwischen 170 Volt und
> 9000 Volt DC zu tun habe,

von Stefan D. (mackie05)


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Falk B. schrieb:
> Macht man das nicht eher mit Ultraschall?
Wird mit Ultraschall, Hochspannung und Laser gemacht.

: Bearbeitet durch User
von Günter Lenz (Gast)


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von Falk B. schrieb:
>So könnte ein erster Entwurf aussehen.

Das Gleichrichten funktioniert aber so noch nicht.
Durch Kondensatoren kann kein Gleichstrom fließen.
Es muß noch eine Diode parallel zu C3, mit Anode
auf Masse.

von Günter Lenz (Gast)


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von William E. schrieb:
>dass ich es mit einer Spannung zwischen 170 Volt und
>9000 Volt DC zu tun habe,

Ich frag mich wo diese Spannung gemessen werden soll.
Eine Spannung besteht immer zwischen zwei Punkten.
Ein einzelner Punkt hat keine Spannung.
Also wo sind diese zwei Punkte?

von Stefan D. (mackie05)


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Günter Lenz schrieb:
> von Falk B. schrieb:
>>So könnte ein erster Entwurf aussehen.
>
> Das Gleichrichten funktioniert aber so noch nicht.
> Durch Kondensatoren kann kein Gleichstrom fließen.
> Es muß noch eine Diode parallel zu C3, mit Anode
> auf Masse.

Für die Detektion der 430kHz braucht man kein DC zu messen. DC ist in 
dieser Form der Therapie unerwünscht. Es gibt im Aufbau der Geräte 
hierzu Kondensatoren, um die DC abkoppeln. Die Maßnahme ist eine 
Forderung aus der IEC60601-2-2. Stichwort Nerve&Muscle Stimulation

von Stefan D. (mackie05)


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Günter Lenz schrieb:
> von William E. schrieb:
>>dass ich es mit einer Spannung zwischen 170 Volt und
>>9000 Volt DC zu tun habe,
>
> Ich frag mich wo diese Spannung gemessen werden soll.
> Eine Spannung besteht immer zwischen zwei Punkten.
> Ein einzelner Punkt hat keine Spannung.
> Also wo sind diese zwei Punkte?

Hier hat man Aktivelektrode(AE) und Neutralelektrode (NE) zur Verfügung. 
In der monopolaren Anwendung ist die Instrumentenspitze AE. NE wird 
bspw. über eine Matte bereitgestellt auf der der Patient liegt. Die 
Matte hängt dann am NE Port des Generators. Der thermische Effekt kommt 
dann dadurch zustande, dass die Stromdichte an der Instrumentenspitze am 
höchsten ist. Bei bipolaren Anwendungen sind beide Elektroden im 
Instrument.

von Christian S. (roehrenvorheizer)


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>Hierbei gibt es vielfältige Anwendungsgebiete wo schneiden, veröden,
>präparieren oder das stoppen von Blutungen zum Einsatz kommt.

Habe ich in echt schon beobachten können...   nur nicht an mir selbst.

von Günter Lenz (Gast)


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von Stefan D. schrieb:
>Für die Detektion der 430kHz braucht man kein DC zu messen.

Aber "von Falk B" sein vorgeschlagener Detektor braucht
eine Gleichspannung, sonst funktioniert der nicht.
Durch den Partienten fließt ja weiterhin Wechselstrom,
da ändert sich ja nichts. Am Partienten selbst wird man nie
eine Spannung von 9000V messen können, weil der sonst
explodieren würde, auch keine 170V. Diese Hochspannungsquelle
wird so hochohmig sein, daß sie bei geringsten Strömen
sofort zusammen bricht. Und bei 9000V entstehen schon
Lichtbögen von etwa 10mm. Eine hohe Spannung wird es nur
zwischen Gewebe und Instrumentenspitze geben.

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