230V analyze adapter/probe

blackdog

Honourable Member

Hi,

Doel
Klein projectje van mij tussendoor, dit in afwachting van wat meetspullen die nog binnen moeten komen om goed storingsarm te kunnen meten aan ondermeer voedingen.
Wat ik hier ga laten zien is grotendeels als besproken in een vorig topic van mij, hieronder de link daar naartoe.
https://www.circuitsonline.net/forum/view/149274

.
Het gaat hier om een adapter/probe of hoe je het ook wilt noemen, om een analyse aan het 230V net, en later een variatie voor mijn Broer te bouwen om aan het drie fase net te kunnen meten zeg tot zo'n 500V AC.
Maar daar gaat het wat ik hier beschrijf niet om, het is voor het 230V net en zeg tot 260V AC als ik de VDR aan de ingang één stapje hoger neem in waarde.

Wat bevat het schema
Deze module gaat als een soort probe dienen om te kijken hoe goor de 230V Netspanning is op een locatie, dat kan in mijn werkomgeving zijn, thuis, bij klanten of soms werk ik ook in het bedrijf van mijn Broer.
Via een geluidskaart kan ik dan veilig een spectrum analyse doen, of mijn Analog Discovery-2 aan mijn laptop hangen en daar de analyse mee doen.
Het bevat ook een eindversterker om naar de 230V te "luisteren" en dan alleen naar de harmonische en andere rommel op het 230V net, de 50Hz wordt door een Notch filter onderdrukt voor meer dan 45dB.

De ingang heeft een normale IEC twee polige stekken, twee spoeltjes die samen met C1 een low pass filter vormen voor frequenties boven ongeveer 1MHZ.
Een neon lampje en zekering voorde veiligheid als de VDR de geest geeft. (Ja Sine, ik heb goed geluisterd :-) )
Dan twee weerstanden die de stroom door de primaire wikkeling van de meettrafo sturen, dat is ook deze keer de ZMPT101B.

De volgende stap is de NE5534a die aan de secondaire kant hangt en deze zet de stroom uit de trafo om in een spanning.
Als de schakeling is afgeregeld met P1 en daarna P2 dan is de spanning op de uitgang van de NE5534a 60dB lager dan de netspanning en dat is dus 230mV.

Als je eerst de directe uitgang meet dus b.v. die geeft dan aan 234V(234mV) AC, en je gebruikt een RMS meter, welke je daarna "nult" en hierna overschakelt naar de "Notch" stand, dan meet je met die meter de THD+Noise van het 230V Net.

Het geheel wordt gevoed uit 2x een 9V batterij en ik heb speciaal geen net gevoede schakeling gemaakt zodat ik daar geen storende invloeden van kan ondervinden.

De plaatjes!
Dit is het onderdeel dat een nette meting tot 100KHz mogelijk maakt na de "tuning" die ik heb toegepast, de ZMPT101B zoals ik ook al heb laten zien in het vorige artikel van een jaar geleden.
Alleen heb ik er nu 10 stuks van op de bank staan, dit omdat ik een aantal toepassingen heb waarin ik de trafo ga gebruiken.
De trafo's kosten heel weinig als je ze niet op een Arduino printje koopt, wil je een basis 230V meting doen, zeg voor IOT, gebruik dan dat Arduino :) sensorprintje.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-04.png

.
Dit is het basis schema dat ik nog een beetje heb "ge-tuned" voor een nog wat vlakkere frequentie response, deze is nu minder dan -1.5dB bij 100KHz en het -3dB punt ligt rond de 130KHz.
Als je een klein beetje lift rond de 30KHz kan verdragen (de blok response wordt dan iets minder mooi) dan kan je rond de 0,5dB bij 100KHZ komen bij de versie die ik zo laat zien.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-01.png

.
Hieronder de schakeling waarbij de trafo een inverterende ingang aanstuurt van een opamp, hier in dit schema staat de NE5532 vermeld waarmee ik ook gemeten heb.
Het voordeel van deze opbouw is dus het iets vlakkere frequentiegebied rond 100KHz.
Nadeel van deze schakeling is de enkele voeding, waardoor C8 vrij groot moet worden voor een vlakke karakteristiek in de lage frequenties.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-02.png

.
Dit is een klikbaar plaatje van het schema als versie 1.0, er komt nog wat bij zoals tekst een wat kleine plaatjes.
Rechts onder staat de audio versterker getekend, dit is een TDA7052 versterker van Philips, maag oo keen andere zijn, maar dat is wat ik toe ga passen omdat ik er voldoende van heb.
De ruststroom is redelijk laag en ik hoof alleen maar twee dioden in serie met de voeding op te nemen om te zorgen dat ik bij volle batterijen niet boven de maximale voedingspanning kom.
De audio versterker wordt aangestuurd door de Notch uitgang, daar de 50Hz van de netfrequentie verder niet interessant is, je wilt de prut en de harmonische horen op het 230V net om een inschatting te maken hoe smerig het is op een bepaalde locatie, dit is alleen een hulpmiddel.

De batterijspanning meet ik ook hier weer met de zener diode en de LED voor kleine stromen, kom je beneden de 12V totaal, dan gaat langzaam de LED uit door de Zener.

P1 aan de primaire kant stelt de frequentie karakteristiek ik boven de zeg 20KHz en hij is ook van invloed op de totale versterking van deze adapter.
Met een bloksignaal uit een functie generator op max output bij zeg 5KHz, want deze schakeling verzwakt 60dB, kijk je met de scoop via een 1:1 probe naar de uitgang.
P-1 trim je dan op zo min mogelijk over/ondershoot, staat dat goed, dan trim je P-2 op de zelfde spanning als dat je aanbied maar dan 60dB kleiner, klaar!
Nou ja bijna dan, er is ook nog het Notch filter, dat kan je 1x trimmen met een functie generator op precies 50Hz waar de netfrequentie omheen zwabbert,
of de 1K trimpot als normale potmeter uitvoeren zodat je de Notch kan bijregelen, het regelbereik hoeft meestal niet meer te zijn dan +-0,2Hz, R7 en R9 zal je dan een beetje moeten schalen.
Als ik morgen tijd heb en de onderdelen dan binnen zijn zal ik een testje doen om R7 en R9 te bepalen voor een normale potmeter om de 50Hz met een knop te kunne trimmen.
Klik!
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-03-Klein.png

.
Dit is een van de foto's van de analyzer tot zijn maximale frequentie van 120KHz, let op de schaal, in het midden stuk is het dus "0dB" bovenaan het scherm is +1dB en onderaan het scherm is -2dB.
De cursor staat hier bij 72,6KHz en de afval was bij deze meting -1,15dB, dit was een tussentijdse meting, en dus laat dus een beetje zien wat mogelijk is, het is beter geworden dan ik met dit plaatje laat zien.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-06.png

.
Dan nog een leuke meting aan de TDA7052 audio versterker, ik wou het audio trapje met zo min mogelijk onderdelen uitvoeren en dat kan met dit IC.
De versie van dit C waar ik er een aantal van heb is in de DIP8 behuizing, die kan natuurlijk niet zoveel dissiperen, vooral niet als ik hem voed uit een LAB voeding op 18V. :+

Hier zit de TDA7052 op de rechterzijde van het breadboard onder een kleine DIL koeler.
Links zit een van de testschakelingen met de NE5532 opamp met de trafo gekoppeld aan de inverterende ingang, maar dat deel doet hier nu niet mee.
Op de achtergrond een van mijn nieuwste aanwinsten, een vier kanalen MICSIG scoop op batterijen en ja het scherm glimt nogal, net een Apple prul met hun beeldschermen *grin*
Er wordt een folie meegeleverd om het scherm te beschermen en om het een beetje mat te maken, plak ik er van de week wel op.
Ik ben voor nu voor 98% tevreden met deze MICSIG scoop, hij werkt prettig, ik gebruik een mix van touch en toetsen tijdens het gebruik,
voor de gene die het willen weten dit is een vier kanalen model met een 100MHz bandbreedte, en bij één kanaal is hij 1-Giga sample, 2 kanalen dan is het 500M-sample en vier kanalen is het 250M-sample.
Voor mij een van de belangrijkste zaken, hij houd het uren vol op een batterij lading, dat is een stuk beter dan mijn eerste digitale scoop, de OWON van zo'n acht jaar geleden.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-05.png

.
De TDA7052 is belast met een 10Ω 2-Watt weerstand en gevoed uit de bekende 30V 1-Ampere Delta voeding die staat ingesteld op 18V.
Dat kan dit IC dus niet bolwerken met zijn DIP-8 behuizing en een koelelementje op zijn dak gelijmd.
Even doorfluiten bij een beetje vermogen is er niet bij, dus daar heb ik het volgende meetprotocol voor opgezet.
Frequentie niet te laag genomen (dissipatie moet goed verdeeld worden over beide powertransistoren in de behuizing) dus heb ik 10KHz genomen als testfrequentie, het Ic loopt ver door tot voorbij 100KHz.
Dus voor de HiFi jongens met hun gouden oortjes kunnen met dit meetinstrumentje tot zeker 100KHz luisteren met hun supertweeters naar het 230V net. *grin*

OK, 10Khz meetfrequentie, dan zijn we er nog niet, wand dan krijgen we alsnog een heethoofd op mijn BreadBoard, dus ik gebruik hiervoor de burst modes van een van mijn functie generatoren, deze keer weer de Hameg HMF2525.

De Sinus staat vier hele perioden aan, en de tijd die de burst uit staat is negenmaal zolang, zeg maar dat de duty cycle 10% is.
Kijk zo ziet het er dan uit.
Rechts bovenaan in het plaatje staan wat meetgegevens van de cursors, de derde waarde van boven geeft aan 21,1V.
Dat resulteert in de 10Ω belasting weerstand een vermogen van 5,5-Watt!
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-10.png

.
Hier breng ik het burst signaal beter zichtbaar in beeld, aan de bovenzijde is wat clipping zichtbaar.
Dit versterkertje heeft dus een groot piek vermogen, maar kan gemiddeld niet meer als ongeveer 1-Watt leveren als het redelijk goed gemonteerd is met een koelvinnetje op zijn rug.
Hier wordt het versterkertje alleen maar even gebruikt om kort te luisteren, daarom heeft hij ook een aparte Power schakelaar gekregen in het schema.
Oja bij nieuwe 9V batterijen kan er dus echt veel herrie uit het versterkertje komen, maar denk nu niet "ik maak een Gettoblaster" met dit IC, die batterijen zijn zo leeg en het IC zo pisheet.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-11.png

.
Laters nog wat aanpassingen en hoe ik het een en ander heb opgebouwd.

SHOOT!

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

Leuk projectje.
Ik heb de beperkte gegevens van de ZMPT101B bekeken.
Breakdown voltage is 4kV. 1:1 stroomtrafo voor 2mA en max. 10mA.

blackdog

Honourable Member

Hi René, :-)

Ik ga er vanuit dat de trafo en de twee weerstanden voldoende bescherming geven als het goed wordt opgebouwd, waar ik mijn best voor ga doen.
Ben ondertussen aan het uitdenken hoe ik de onderdelen aan de 230V kant ga opbouwen, ik heb meerdere mooie montage paaltjes van kunststof en ook Ceramisch.

Jammer genoeg is maar één klein deel van Farnell bestelling vandaag binnen gekomen, maar de rest kan vandaag alsnog worden afgelevert, je weet het nooit...
Nu is men voor één zakje met een waarde van rond de vier Euro langs geweest, de rest komt schijnbaar uit een ander magazijn.

Toch nu even geen tijd voor dit project, het werk roept. ;)

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

@Bram,
Heb je geen last van de offsetspanning van de NE5534a?
Of is de ohmse weerstand van de secundaire van de transformator hoog genoeg?

blackdog

Honourable Member

Hi ohm pi,

Eventuele DC problemen
De bias stromen van een NE5534 NE5532 zijn niet heel hoog, maar natuurlijk niet zo goed als fet-input opamps.
Dus ik denk dat verzadiging geen probleem zal zijn, de dc-weerstand van deze 1:1 trafo is rond de 120Ω
De hele golfvorm van het toegevoerde signaal zit ook niet perfect rond de "0" lijn van de 230V, dit kan een probleem zijn bij grote ringkern transformatoren.
Ik heb bij audio werk weinig te maken gehad met DC problemen bij ingangs transformatoren, maar ik sluit niets uit.

Testen verschillende opamps
Als de tijd het deze week toelaat (ik had een electronica week gepland...) maar daar komt weinig van door plotseling binnenkomend werk,
dan test ik verschillende soorten opamps, misschien werk een TL074 goed genoeg voor alle opamps in de schakeling en kan ik nog een 10x trapje toevoegen achter het Notch filter.

Uitzoekwerk Notch trapje
Net nog even gekeken of mijn tweede Farnell zending is afgeleverd, nee dus |:(
Daar zitten de onderdelen in voor het Notch filter en kan ik wat 150nF condensatoren selecteren, dan krijg je meestal de diepste Notch, maar dat is niet super belangrijk, de THD van de meeste Netspanningen die ik heb gemeten, zit bijna altijd boven de 2%.
Mijn Audio Precision Analyzer heeft een standaard knop om de THD+N te meten, deze geeft in mijn werkkamer nu 3,7% aan, dus ik heb hier geen Sinus maar een trapezium golfvorm *grin*

Waarom eerste metingen met NE553x serie opamps
Als een goedkope TL074 of anderen in die serie goed genoeg werken, dan zet ik die in het schema.
Beetje achtergrond voor de keuze van de 5532 en de 5534 opamps, deze heb ik genomen voor de eerste testen omdat hun openloop bandbreedte groot is, bij 10KHz begint deze pas te dalen.
Dat houd dan in, dat de trafo echt over zijn hele bandbreedte (ik hou 100KHZ aan) een zeer laag Ohmige belasting ziet.
Dat resulteerde dan ook in het nog vlakker lopen van de frequentie karakteristiek boven de 50KHz.

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn

Op 7 december 2021 19:53:36 schreef blackdog:
Hi ohm pi,

Eventuele DC problemen
De bias stromen van een NE5534 NE5532 zijn niet heel hoog, maar natuurlijk niet zo goed als fet-input opamps.
Dus ik denk dat verzadiging geen probleem zal zijn, de dc-weerstand van deze 1:1 trafo is rond de 120Ω
De hele golfvorm van het toegevoerde signaal zit ook niet perfect rond de "0" lijn van de 230V, dit kan een probleem zijn bij grote ringkern transformatoren.
Ik heb bij audio werk weinig te maken gehad met DC problemen bij ingangs transformatoren, maar ik sluit niets uit.

Met een ohmse weerstand van 120Ω verwacht ik ook weinig problemen.

blackdog

Honourable Member

Hi,

De zending van Farnell is binnen en ik kan daardoor weer wat metingen doen aan delen van de voorgestelde schakeling.
Dit stukje gaat over het selecteren van de condensatoren voor het 50Hz Notch filter.

Doordat het filter trimbaar wordt voor de Notch frequentie over een klein bereik, ongeveer 50Hz +-0,3Hz zijn er geen zeer stabiele condensatoren nodig voor dit filter.
Ook is dit geen precisie meetinstrument, er is helemaal niets precies aan het 230V net. :+
Natuurlijk heb ik de elektronica rond de trafo in en uitgang wel zo goed mogelijk gemaakt als dat ik kon, dit met mijn huidige kennis en die opgedane kennis is dan voor latere projecten ook weer handig.

In de bestelling die vandaag binnen kwam, zaten ook 20 stuks Panasonic 0,15µF PET condensatoren, dat zijn dus polyester type.
Voor de liefhebber, Farnell: 2805873

Deze 20 stuks condensatoren heb ik met een LCR meter gemeten zodat ik groepjes van drie kon maken.
Hieronder een plaatje na het selectie proces.
https://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/230V-Analyze-Adapter-12.png

.
De bovenste rij bevat vier groepjes condensatoren welke binnen 1% gelijk zijn aan de middelste van het groepje van drie.
De onderste rij rode condensatoren kon ik geen groepje van maken die ruim binnen de 1% lag.
Rechts liggen drie Siemens condensatoren die kleine dan 0,5% zijn onderling.

De selectie is dus gedaan op onderling verschil en dus niet op precies 0,15µF, dit omdat er voor de frequentie een afregelpotmeter aanwezig is.
De selectie is grotendeels om de Q zo hoog mogelijk te houden voor een zo diep mogelijke Notch.
De condensatoren zijn gemeten bij 100Hz op mijn RCL meter, welke zo dicht mogelijk bij de Notch frequentie ligt.
Maar 1KHz is verder ook goed, want het gaat om het verschil tussen de condensatoren, dat die zo klein mogelijk is rond de 0,15µF.
De gemeten Q bij 100Hz zat net onder de 700 wat voor deze toepassing ruim voldoende is.
Wil je het b.v. optimaler hebben dan zijn MKP-condensatoren de volgende stap, deze hebben een betere Q factor en zijn temperatuur stabieler.

Dit is de link naar de datasheet van de door mij toegepaste condensatoren van Panasonic:
http://www.bramcam.nl/NA/230V-Analyze-Adapter/Panasonic-Cap-ECQE2154JF…

.
En dit is een zeer uitgebreide Wikipedia pagina over film condensatoren waar ik op heb gezocht i.v.m. temperatuur stabiliteit van film condensatoren:
https://en.wikipedia.org/wiki/Film_capacitor#Impedance,_dissipation_fa…

Als ik vandaag nog wat tijd over heb, test ik de Notch schakeling en kijk ik of ik met een TL070 serie opamps kan werken.

Tijd is nu op, groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn
fatbeard

Honourable Member

Ik zou de 151.4 van de derde groep vervangen door de 152.3, dan liggen ze nog iets dichter bij elkaar...

Enneuh... met 50±0.3Hz regelbereik loop je het (niet heel grote) risico dat dat in extreme gevallen onvoldoende is.

Een goed begin is geen excuus voor half werk; goed gereedschap trouwens ook niet. Niets is ooit onmogelijk voor hen die het niet hoeven te doen.
blackdog

Honourable Member

Hi Leo, ;)

Die heb ik over het hoofd gezien! ga je door voor de Magnetron?

Wat betreft de drift van de netfrequentie, als ik kijk naar de volgende website: https://www.mainsfrequency.com/news.htm#2015_1_3
Dan blijft de drift vaak in uitschieters binnen de +-0,2Hz.

Ik moet nog metingen doen aan het Notch filter over het regelbereik van de trimpotmeter, rekening houdend met de drift zoals aangegeven op die website,
drift van de condensatoren, weerstanden en de trim potmeter binnen ongeveer +-10C.

Ik was al omhooggegaan van eerste instantie +-0,2 naar +-0,3 maar nu inschattend na wat metingen aan de condensatoren is waarschijnlijk -+0,5Hz een betere keuze.
We zullen het zien, als ik mijn metingen heb gedaan, of mijn aannamen een beetje kloppen.

Ondertussen ben ik nu metingen aan het doen aan de NE553x en de TL07x opamp’s betreffende ruis en bandbreedte, dat is geen kattenpis om dit stoorarm te doen.
Als eerste ben ik mijn ruisvloer van de meetopset aan het bepalen, daarvoor gebruik ik mijn 40dB + 20dB meetversterker die voor de scoopingang hangt met de bandbreedte op de meetversterker ingesteld op 10 of 100KHz.
Deze meetversterkers dan aan de ingang met 50Ω afsluiten, dat is ook ongeveer de impedantie van de uitgang van het eerste trapje.

En dan maar kabels goed leggen op tafel, verschillende massa meetpunten nemen enz, enz, het is een tijdrovend klusje.
Een ding ben ik al wijzer, ik moet echt een Fet meetversterker gaan bouwen met die extra ruisarme typen(2SK170, LSK389 beide hier op voorraad), anders is het heel lastig metingen ruisarm te doen tot een paar honderd KHZ op microvolt niveau.
Maar dat komt later wel, ik kan nu even voort en de ruisvloer van de meetopstelling ligt met deze meetopstelling voldoende laag voor redelijke metingen.

Stay Tuned!

Groet,
Bram

Existence, well, what does it matter? I exist on the best terms I can... Heart and soul, one will burn