Messung kleiner Ströme bei DC-Hochspannungen ohne Floating Meter

Ich mache ein Projekt mit einem Cockcroft-Walton-Multiplikator, der bis zu 40 kV DC bei bis zu 10 mA ausgibt . Die Schaltung nimmt einen Eingang von 10 kV AC bei 60 mA und 60 Hz (von einem Transformator für Neonschilder) und leitet ihn durch einen zweistufigen Vollwellen-Cockcroft-Walton-Multiplikator mit 50-nF-Kondensatoren.

Ich möchte die aktuelle Wellenform sehen, die meine Last zeichnet, und aufgrund der Art dessen, was sie mit Strom versorgt (ein Fusor), ist es nicht möglich, den Strom gegen Masse zu messen. Es ist möglicherweise möglich, den Wechselstrom am Neonschild-Transformator (oder vor dem Neonschild-Transformator) zu messen, aber ich befürchte, dass die Stromwellenform "verstümmelt" werden könnte, wenn ich vor dem Cockcroft-Walton messe. Der Spannungsabfall des Multiplikators ist ebenfalls nichtlinear, sodass ich nicht einfach die Ausgangsspannung messen und den Ausgangsstrom berechnen kann.

Normalerweise würde ich einfach einen 100-Ω-Widerstand zum Ausgang des Cockcroft-Walton hinzufügen und den Spannungsabfall über dem Widerstand messen (da ein Spannungsabfall von 1 V einem Strom von 10 mA entsprechen würde), den ich dann in einen einspeisen würde Arduino.

Aber da ist mein Problem - damit dies funktioniert, müsste ich die interne Erdung des Arduino auf die ~ 40 kV des Ausgangs schweben lassen, was es wirklich schwierig macht, Daten mit Strom zu versorgen und daraus zu lesen. Während ich den Arduino mit einer Batterie versorgen und Daten über Bluetooth auslesen könnte, ist dies eine ziemlich grobe Lösung. Ich habe auch über die Verwendung eines Operationsverstärkers nachgedacht, aber ich glaube nicht, dass ein Operationsverstärker eine Differenz von 40 kV zwischen seinen Eingängen und seinen Ausgängen überstehen könnte.

Meine Frage lautet also: Wie kann ich die von meinem Cockcroft-Walton-Multiplikator gelieferte Stromwellenform so messen, dass sie von einem Arduino am Boden gelesen werden kann?

Bearbeiten: Weitere Details zu den Cockcroft-Walton-Spezifikationen hinzugefügt

Ein Hallstromsensor? Diese sind von Natur aus isoliert. Ich bin mir jedoch nicht sicher, ob Sie einen 40-kV-Sensor finden können. Sie könnten versuchen, einen drahtlosen Stromsensor herzustellen, der eine LED proportional zum Leuchten oder Blinken bringt, und dessen Helligkeit oder Frequenz, Impulsbreite oder Einschaltdauer ablesen. Oder eine ausgefallenere Methode der IR-Kommunikation mit Strommessung.
Ich nehme an, nur ein Batteriemultimeter an den Shunt-Widerstand zu klemmen, wird für Sie nicht funktionieren? Sie benötigen Wellenformdaten?
Ja, ich brauche Wellenformdaten (ich werde die Frage aktualisieren). Was die LED-Idee betrifft, klingt das, was Sie beschreiben, sehr nach einem Optokoppler, aber ich konnte keinen finden, der mehr als 10 kV unterstützt. Ein Hallstromsensor würde im Prinzip auch funktionieren, aber ich habe auch hier keinen gefunden, der für 40 kV funktioniert.
Verwenden Sie diskrete LEDs und Fotodioden, die in der Luft voneinander beabstandet sind, wie eine TV-Fernbedienung, weit genug, damit 40 kV nicht springen können
Als @DKNguyen besteht eine Standardmethode darin, einen Optoisolator mit Faseroptik zu verwenden - stellen Sie sicher, dass der Lichtleiter keine metallische Verstärkung aufweist und dass der Fotodetektor gut geerdet ist. Siehe instructables.com/id/Opto-Isolator-Homemade
oder anstelle von Luft können Sie Fasern verwenden, wie @DrMoishePippik sagte
@DrMoishePippik das könnte funktionieren (es ist sicherlich viel eleganter als meine Arduino-Idee). Wird das in der "realen"/kommerziellen Welt so gemacht?
"Aufgrund der Art dessen, was es antreibt (ein Fusor), ist es nicht möglich, den Strom gegen Masse zu messen." - Können Sie den Strom an der Masseseite der Sekundärwicklung des Transformators messen?
@BruceAbbott möglicherweise, aber ich mache mir Sorgen, dass die Wellenform "verstümmelt" wird, wenn ich den Strom vor dem Cockcroft-Walton messe.

Antworten (1)

Ich habe mir diese Art der Strommessung auf der Masseseite des sekundären 20: 1-Aufwärtstransformators mit einem abgeschirmten, nicht induktiven 10-mOHm-Shunt ausgedacht .

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Obwohl ein Lichtbogenstrom von 1 mOhm ein großes Übersprechproblem mit einer Anstiegszeit von <50 ps darstellt, ergibt diese Ausgangslichtbogenentladung zum Luftspalt 10 % der sekundären Spannung des 10 mOhm-Nebenschlusses. HV-Dioden und Kunststoffkappen mit kluger sauberer HF/HGÜ-Konstruktion sind unerlässlich. 0,3 m BIL 200 kV x2 in Reihe, mindestens Keramikbuchsen über einer Grundplatte aus Teflonblech, habe ich verwendet. Selbst mit geerdetem Sicherheitskäfig entlädt sich der Lack in 5m Entfernung statisch und man spürt, wie sich die Haare im Nacken aufstellen. Aufgrund von Staub viel riskanter als 50 kV AC.

Könnten Sie näher erläutern, wie dieser Shunt zur Strommessung verwendet werden kann? Ich verstehe die obige Schaltung nicht ganz.
@GavinUberti Der Shunt ist auf der niedrigen Seite. Wenn die Versorgung referenziert (nicht schwebend) ist, beträgt die Spannung hier V = I x R anstelle von 40 kV.
der ESR eines Lichtbogens in einem Dielektrikum ist umgekehrt proportional zur Stromdichte zum Entladungspfad. Ich habe eine ESR-Lücke mit niedriger Spannung gewählt, die dem Bogen zum Anheben eines Toten ähneln könnte. Autobatterie beim Starten mit 12V und 129A Funkendichte an der Elektrode. Außer 50kV können 5 cm selbst mit Alkohol gereinigte Isolierung kriechen.
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