Hochspannung sicher Messen - 2KV AMC1411

[Alexander L. (pyrun)]

Hallo,

ich arbeite gerade an meiner ersten Anwendung mit Hochspannung (HV) und 
würde mir dazu gerne euren Rat einholen. Anbei findet ihr meinen 
Schaltplan und das Layout.

Ich wollte euch fragen, ob jemand von euch Erfahrung mit HV-Anwendungen 
hat und mir sagen kann, ob meine Lösung so in Ordnung ist oder ob ich 
irgendwo einen groben Fehler mache.

Anforderungen:
- Spannung: bis zu 2 kV (die Anwendung läuft typischerweise zwischen 500 
V und 1,8 kV)
- Isolation erforderlich (soll sicher sein)
- Ich habe JST-Steckverbinder „zweckentfremdet“ und als HV-Stecker 
eingesetzt. Pro Stecker liegt nur ein Potenzial an – ist das aus eurer 
Sicht in Ordnung? Da kein Strom fließt sollte es ja egal sein?
- Schaltfrequenz/Messungen: ca. 10 Hz

Bauteile:
- AMC1411QDWLRQ1
- 3M3 Ohm - RCV20103M30FKEFAT (soll einzeln 2 kV können)
- NXE1S0303MC (DC/DC Isoliert 3kV)
- 10k ist 0815-normal

[Wolfgang D. (blitz_f)]

Moin,
der angegebene R-Typ kann "nur" ca. 1,5 kV bei 3,3 MegOhm (Datenblatt).
Ist nach meiner Meinung zu knapp. Mindestens 10 Stck. 1 MegOhm in Reihe.
Gruß, W.

[Falk B. (falk)]

Alexander L. schrieb:

> Ich wollte euch fragen, ob jemand von euch Erfahrung mit HV-Anwendungen
> hat

ein "wenig"

> - Spannung: bis zu 2 kV (die Anwendung läuft typischerweise zwischen 500
> V und 1,8 kV)

Nicht viel.

> - Isolation erforderlich (soll sicher sein)

Schmarrn. Millionen von HV-Meßteilern sind nicht galvanisch getrennt und 
trotzdem sicher.

> - Ich habe JST-Steckverbinder „zweckentfremdet“ und als HV-Stecker
> eingesetzt. Pro Stecker liegt nur ein Potenzial an – ist das aus eurer
> Sicht in Ordnung? Da kein Strom fließt sollte es ja egal sein?

Ist OK

> - Schaltfrequenz/Messungen: ca. 10 Hz

Dafür reicht ein rein ohmscher Spannungsteiler.

> - 3M3 Ohm - RCV20103M30FKEFAT (soll einzeln 2 kV können)

Wenn das im Datenblatt steht, ist das OK.

> - NXE1S0303MC (DC/DC Isoliert 3kV)
> - 10k ist 0815-normal

Die galvanische Trennung ist Unfug. Dein Layout ist an der HV-Seite zu 
eng, die Kriechwege sollten größer sein. Man sagt bei uns 4mm/kV. Also 
wenn man bei dem Unfug der Trennung bleibt, müßte der ganze Kram weiter 
nach unten und nach recht rutschen, ist ja massig Platz. Wenn du es 
richtig machen willst, läßt du das alles komplett weg.

[Falk B. (falk)]

Wolfgang D. schrieb:
> Moin,
> der angegebene R-Typ kann "nur" ca. 1,5 kV bei 3,3 MegOhm (Datenblatt).
> Ist nach meiner Meinung zu knapp. Mindestens 10 Stck. 1 MegOhm in Reihe.
> Gruß, W.

Jaja, Und wieder Angstwiderstände. Warum nicht gleich 100 in Reihe? 
icher ist sicher!

Es ist auch die Frage, was das für eine HV-Quelle ist. Wenn es ein 
kleine Quelle mit ein paar W ist, kann selbst im Fehlerfall beim 
Durchschlag nicht viel passieren. Wenn das ein Mittelspannungsanschluß 
ist (jaja, die haben keine 2kV DC), wo MW oder mehr und kA 
Kurzschlußstrom danhinter hängen, muss man natürlich um Größenordnungen 
mehr Reserven und Sicherheiten einbauen.

3x1,5kV=4,5kV Nennspannung sind für 2kV OK.

[Gunnar F. (gufi36)]

Alexander L. schrieb:
> Spannung: bis zu 2 kV (die Anwendung läuft typischerweise zwischen 500 V
> und 1,8 kV)

Woher kommt die Spannung? Normalerweise teilt man Spannungsquellen in 
Überspannungsklassen ein und da wird viel mehr als nur die Nennspannung 
angenommen. Wenn jetzt auf den 1,8kV nochmal eine ähnlich hohe 
Transiente kommt?

[Torsten B. (butterbrotstern)]

Tipp: die Pinzahl der JST unterschiedlich machen, z.B. 2 (Gnd) und 3 
(HV), das vermeidet Verwechselung. Oder gleich einen 8-10-poligen, bei 
dem die mittleren Pins herausgezogen werden.
Bedenke, dass sich langfristig Staub an den HV-führenden Leitungen 
anlagern kann. Daher wie schon gesagt die Abstände erhöhen.

[Gerd E. (robberknight)]

Alexander L. schrieb:
> - NXE1S0303MC (DC/DC Isoliert 3kV)

Vorsicht mit der Angabe "3kV". Das ist der High-Pot Test für 60 
Sekunden. Der Wandler hält die 3kV nicht dauerhaft aus. Der ist für 
dauerhaft 230V Potentialdifferenz gedacht und gilt dafür dann als 
Funktionsisoliert. Wandler die dauerhaft 3kV aushalten können sind 
größenmäßig ein ganz anderes Kaliber.

In Deiner Anwendung ist der Wandler aber am unteren Ende des 
Spannungsteilers. Das wäre ok. Aber die Kriechstrecke zwischen dem 
heißen Ende des Spannungsteilers und dem Wandler sieht mir noch etwas 
knapp aus.

[Rainer D. (rainer4x4)]

Falk B. schrieb:
> Alexander L. schrieb:
>> - Isolation erforderlich (soll sicher sein)
>
> Schmarrn. Millionen von HV-Meßteilern sind nicht galvanisch getrennt und
> trotzdem sicher.
Das hängt doch wohl davon ab auf welchem Potential GND1 (J2) liegt. Im 
Schaltbild gibt es GND und GND1.

[Alexander L. (pyrun)]

Falk B. schrieb:
>> - Isolation erforderlich (soll sicher sein)
>
> Schmarrn. Millionen von HV-Meßteilern sind nicht galvanisch getrennt und
> trotzdem sicher.
>> - Schaltfrequenz/Messungen: ca. 10 Hz
> Dafür reicht ein rein ohmscher Spannungsteiler.
> Die galvanische Trennung ist Unfug. Dein Layout ist an der HV-Seite zu
> eng, die Kriechwege sollten größer sein. Man sagt bei uns 4mm/kV. Also
> wenn man bei dem Unfug der Trennung bleibt, müßte der ganze Kram weiter
> nach unten und nach recht rutschen, ist ja massig Platz. Wenn du es
> richtig machen willst, läßt du das alles komplett weg.

Die Hochspannungsquelle ist galvanisch getrennt, und ich möchte das 
GND-Potenzial nicht miteinander verbinden. Ein Spannungsteiler ist der 
einfachste Weg, aber ich möchte das GND-Potential nicht mit der 
Steuerseite verbinden. Ich habe die Steuerseite noch nicht fertig, aber 
das verhindert z.B. USB, wo fremde Potentiale hinkommen können. (Es sei 
denn, ich setze einen USB-Isolator ein, was wieder aufwenig ist)

Ich werde alles weiter aussparen und auch Fräsungen in der Platine 
machen - ich werde ein neues Bild hochladen, sobald ich alles auf 
mindestens 8mm (4mm/kV) überprüft habe. Eher mehr Abstand.

Falk B. schrieb:
> Wolfgang D. schrieb:
>> Moin,
>> der angegebene R-Typ kann "nur" ca. 1,5 kV bei 3,3 MegOhm (Datenblatt).
>> Ist nach meiner Meinung zu knapp. Mindestens 10 Stck. 1 MegOhm in Reihe.
>> Gruß, W.
>
> Jaja, Und wieder Angstwiderstände. Warum nicht gleich 100 in Reihe?
> icher ist sicher!
>
> Es ist auch die Frage, was das für eine HV-Quelle ist. Wenn es ein
> kleine Quelle mit ein paar W ist, kann selbst im Fehlerfall beim
> Durchschlag nicht viel passieren. Wenn das ein Mittelspannungsanschluß
> ist (jaja, die haben keine 2kV DC), wo MW oder mehr und kA
> Kurzschlußstrom danhinter hängen, muss man natürlich um Größenordnungen
> mehr Reserven und Sicherheiten einbauen.
>
> 3x1,5kV=4,5kV Nennspannung sind für 2kV OK.
Gunnar F. schrieb:
> Alexander L. schrieb:
>> Spannung: bis zu 2 kV (die Anwendung läuft typischerweise zwischen 500 V
>> und 1,8 kV)
>
> Woher kommt die Spannung? Normalerweise teilt man Spannungsquellen in
> Überspannungsklassen ein und da wird viel mehr als nur die Nennspannung
> angenommen. Wenn jetzt auf den 1,8kV nochmal eine ähnlich hohe
> Transiente kommt?
Für die HV-Quelle:
Netzspannung->Sicherung + FI->Steuertransformator->Transformator für 
HV->HV-Gleichrichter->Kondensator
Anwendung ist Oberflächenbeschichtung mit Plasma - diesen möchte ich 
Steuern und Überwachen. Laboraufbau mit Spannungsteiler und einem 
geeignetem Multimeter war jetzt sehr erfolgreich. Mehr habe ich von dem 
Versuchsaufbau nicht verlangt.

Es ist galvanisch getrennt und erzeugt max. DC 1,8kV-1,9kV bei 
100mA(200W). Hier wurden HV-Silikonkabel verwendet. Ich habe den 
Kurzschlussstrom nicht gemessen, aber die 
Glasrohr-Feinsicherung-Sicherung auf der HV Seite löst aus bei einem 
gewollten Kurzschluss.

Ich habe mit dem Multimeter keine höhere Spannung als 1900V gesehen 
(Achtung: hochgerechnet mit dem Spannungsteiler). Leider habe ich kein 
Oszilloskop mit Hochspannungsmessfühler hier um es 100% zu prüfen.

Gerd E. Beitrag #7873990:
Das habe ich übersehen! Du hast Recht und die Wandler können diese 
Spannung nicht dauerhaft aushalten - ich plaziere den Wandler weiter weg 
von der Heißen Seite.

Torsten B. schrieb:
> Tipp: die Pinzahl der JST unterschiedlich machen, z.B. 2 (Gnd) und
> 3
> (HV), das vermeidet Verwechselung. Oder gleich einen 8-10-poligen, bei
> dem die mittleren Pins herausgezogen werden.
> Bedenke, dass sich langfristig Staub an den HV-führenden Leitungen
> anlagern kann. Daher wie schon gesagt die Abstände erhöhen.
Danke für den Tipp. Wird als 2 & 3pol umgesetzt :)

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> ich plaziere den Wandler weiter weg
> von der Heißen Seite.
Das bringt nichts wenn er direkt an diese angeschlossen ist bzw. Du die 
Masse nicht verbinden möchtest. Da musst Du eher irgendwie 
sicherstellen, daß die Spannung über die Isolationsbarriere (das 
Potential zwischen den beiden Massen) den zulässigen Wert nicht 
überschreitet.

[Falk B. (falk)]

Alexander L. schrieb:

> Die Hochspannungsquelle ist galvanisch getrennt,

Sowas gibt es, ist aber recht exotisch.

> und ich möchte das
> GND-Potenzial nicht miteinander verbinden.

Warum nicht? Das macht die ganze Welt so und das bei DEUTLICH höheren 
Spannungen und Leistungen. Klar, es gib auch Fälle, da will bzw. kann 
man das nicht. Das sind aber Ausnahmen. Ist das bei dir WIRKLICH der 
Fall?

> Ich werde alles weiter aussparen und auch Fräsungen in der Platine
> machen

Schmarrn. Dein pissigen 2kV sind Spielspaß für Hochspannung. Maximiere 
die Kriechwege, 4mm/kV oder mehr, fertig.

> Für die HV-Quelle:
> Netzspannung->Sicherung + FI->Steuertransformator->Transformator für
> HV->HV-Gleichrichter->Kondensator

Also alter 50Hz Kram. Und dessen Ausgang wird potentialfrei betrieben?

> Es ist galvanisch getrennt und erzeugt max. DC 1,8kV-1,9kV bei
> 100mA(200W).

Naja. Das ist schon ordentlich und potentiell tödlich!

> Ich habe mit dem Multimeter keine höhere Spannung als 1900V gesehen
> (Achtung: hochgerechnet mit dem Spannungsteiler). Leider habe ich kein
> Oszilloskop mit Hochspannungsmessfühler hier um es 100% zu prüfen.

Man kann sowas auch mit einem Differenztastkopf messen. Dazu nimmt man 
einfach zwei dieser HV-Teiler und einen OPV und baut damit einen 
HV-Differenztastkopf. Dann kann man damit beliebig gepolte und geerdete 
oder auch potentialfreie HV messen. Das hab ich mal für einen 5kV Aufbau 
gemacht. Siehe Anhang. Der kann sogar relativ schnelle Signale messen.

> Das habe ich übersehen! Du hast Recht und die Wandler können diese
> Spannung nicht dauerhaft aushalten - ich plaziere den Wandler weiter weg
> von der Heißen Seite.

Das ist nicht das Problem. Sondern die Isolationsspannung, welcher er 
dauerhaft ausgesetzt ist. Wenn die HV-Quelle WIRKLICH potentialfrei ist 
und du warum auch immer die Eingangsmasse an den falschen Pol der 
HV-Quelle anschließt, sieht das Ding die volle Isolationsspannung.

[Wolf17 (wolf17)]

Gerd E. schrieb:
> Der Wandler hält die 3kV nicht dauerhaft aus. Der ist für
> dauerhaft 230V Potentialdifferenz gedacht und gilt dafür dann als
> Funktionsisoliert. Wandler die dauerhaft 3kV aushalten können sind
> größenmäßig ein ganz anderes Kaliber.

> Die Hochspannungsquelle ist galvanisch getrennt

Die Hochspannung floatet also. Ist das unvermeidbar? Ganz ohne Erdbezug 
weiß man nie genau, wo das Potential liegt.
Wenn die Spannung GND1-GND unbestimmt ist, würde ich zwei 
Hochspannungsteiler vorsehen: Vbus-GND und GND1-GND. Dann einen 
Differenzverstärker. Das ganze ohne fragwürdige Isolation.
2kV an 10MR sind 0,4W, ich würde den Teiler hochohmiger machen.
Hochspannung an kleinen SMD ist mir suspekt. Ich schlage bedrahtete HV 
Widerstände vor, dann ist man auch mit etwas Verschmutzung noch sicher.

https://www.mouser.de/ProductDetail/Vishay-BC-Components/HVR3700003304JR500?qs=gQQ%2FpDEpiRJtXyzBKzREkw%3D%3D